JP2009050951A - Industrial robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のアームを備えた多関節型の産業用ロボットに関し、特に揺動自在に設けられたアームをその停止位置に保持するバランス機構を有する産業用ロボットに関する。 The present invention relates to an articulated industrial robot having a plurality of arms, and more particularly to an industrial robot having a balance mechanism that holds a swingably provided arm at its stop position.
複数のアームを備えた垂直多関節型の産業用ロボットは、設置面の垂直軸まわりに旋回可能にされた基台部と、この基台部上に回転可能に起立する第1のアームと、この第1のアームの上端に回転可能に軸支された水平方向に延びる第2のアームを有する形態となっているものが多い。係る形態の垂直多関節型ロボットにおいては、第1のアームがその自重と第2のアームの重量とにより傾斜しようとするため、第1のアームがその回転位置で静止できるように、第1のアームに作用する重力モーメントとバランスする力を第1のアームに付与する、いわゆるバランス機構が設けられている。 A vertical articulated industrial robot having a plurality of arms includes a base portion that is turnable about a vertical axis of an installation surface, and a first arm that stands up rotatably on the base portion, In many cases, the first arm has a second arm extending in the horizontal direction and rotatably supported at the upper end of the first arm. In the vertical articulated robot of this form, the first arm tends to incline due to its own weight and the weight of the second arm, so that the first arm can be stopped at its rotational position. A so-called balance mechanism is provided that imparts to the first arm a force that balances the moment of gravity acting on the arm.
係るバランス機構としては、従来は、出願人らの特許文献1では、バネバランス機構の技術が開示され、その実施例の図1には、その他のバネバランス機構やカウンタウェイトによるバランス機構が図示されている。こうした事例に開示されているように、従来は、外部の駆動源を必要としないバネや貯圧タンクを有する空圧シリンダや油圧シリンダによりバランス機構を構成するのが一般的であった。 Conventionally, as the balance mechanism, Patent Document 1 of the applicants discloses a technique of a spring balance mechanism, and FIG. 1 of the embodiment shows another spring balance mechanism and a balance mechanism using a counterweight. ing. As disclosed in these cases, conventionally, a balance mechanism is generally configured by a pneumatic cylinder or a hydraulic cylinder having a spring or a pressure storage tank that does not require an external drive source.
これに対し、特許文献2では、昇降用モータとは別に設けた平衡用モータを駆動源とし、仮想比桿杆の原理により重力バランスさせる方法が開示されている。しかし、係る構成はこの文献に開示されているような特定の機構により初めて実現できるバランス機構であり、垂直多関節型の産業用ロボットのような汎用的な垂直多関節構造でのバランス機構を与えるものではなかった。 On the other hand, Patent Document 2 discloses a method of using a balancing motor provided separately from a lifting motor as a drive source and balancing the gravity by the principle of virtual relative power. However, such a configuration is a balance mechanism that can be realized for the first time by a specific mechanism as disclosed in this document, and provides a balance mechanism in a general-purpose vertical articulated structure such as a vertical articulated industrial robot. It was not a thing.
汎用的な垂直多関節構造での重力バランスの実現を目指したものとして、特許文献3では、アームの姿勢に応じて重力バランスさせるために必要な空気圧を記憶する、空圧シリンダを用いたバランス機構が開示されている。しかし、係る構成はアームの姿勢毎に重力バランスさせるために必要な空気圧を記憶するものであり、多関節構造の各関節の姿勢が時々刻々変化したり、負荷の質量が都度変化したりする場合において、その解決法を与えるものでも示唆するものでもなかった。 As a technique aiming at the realization of gravity balance in a general-purpose vertical articulated structure, Patent Document 3 discloses a balance mechanism using a pneumatic cylinder that stores air pressure necessary for gravity balance according to the posture of the arm. Is disclosed. However, such a configuration stores the air pressure necessary to balance the gravity for each posture of the arm, and the posture of each joint of the multi-joint structure changes from moment to moment, or the mass of the load changes every time However, it did not give or suggest a solution.
また、特許文献4では、壁面清掃ロボットのバランス用の重りをバランサ用モータで移動して、重力バランスを取る方法が開示されている。係る構成は、アームの姿勢変更時におけるバランス力の変化を、バランサ用の重りの位置を変更することにより釣り合わせるものである。係る構成は、原理的には前述した特許文献2の桿杆に類似するが、ロボットが動作する際、バランサ用の重りも慣性負荷となるので重力負荷はキャンセルされるが、起動・停止時の加速・減速トルクはバランサの加速・減速に必要なトルクが加算され、動作時のアーム駆動軸の負荷を必ずしも軽減するものではなかった。 Further, Patent Document 4 discloses a method of obtaining a gravity balance by moving a balance weight of a wall surface cleaning robot with a balancer motor. Such a configuration balances the change in balance force when the posture of the arm is changed by changing the position of the weight for the balancer. The configuration is similar in principle to that of the above-mentioned Patent Document 2, but when the robot operates, the weight for the balancer also becomes an inertial load, so the gravitational load is canceled. The acceleration / deceleration torque adds the torque necessary for the acceleration / deceleration of the balancer, and does not necessarily reduce the load on the arm drive shaft during operation.
さらに、特許文献5には、ボールネジと電動モータを用いたバランサにおいて、圧力流体を使ったシリンダにより負荷を軽減する方法が開示されている。しかし、係る文献に開示されているものは、多関節構造の各関節の姿勢が時々刻々変化したり、負荷の質量が都度変化したりする場合の解決法を与えるものでも示唆するものでもなかった。
Further,
本発明は、前述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、多関節型の産業用ロボットであって、バランス機構自体が独自に駆動力を発生する駆動機構を有し、好ましくは、各関節の姿勢が時々刻々変化したり、負荷の質量が都度変化したりする形態のものにおいても、バランス力を良好に発生させることが可能なバランス機構を有する産業用ロボットを提供することを目的とする。 The present invention was made in order to solve the above-described problems of the prior art, and is an articulated industrial robot having a drive mechanism in which the balance mechanism itself generates a drive force, Preferably, there is provided an industrial robot having a balance mechanism that can generate a balance force even when the posture of each joint changes from moment to moment or the mass of a load changes each time. For the purpose.
前述した課題を解決するために、請求項1に記載の発明においては、一端が基台部1に回転可能に軸支されたアーム3と、一端が基台部1に連結されるとともに、他端がアーム3に連結されたバランス機構4と、を有し、このバランス機構4は減速機構41とサーボモータ42とからなる駆動機構を有することを特徴とする産業用ロボットを提供した。係る構成としたことにより、バランス機構4自体が独自に駆動力を発生する駆動機構を有することになる。
In order to solve the above-described problem, in the invention described in claim 1, one end of the arm 3 is rotatably supported by the base portion 1, one end is connected to the base portion 1, and the other An industrial robot characterized in that the balance mechanism 4 has a drive mechanism including a speed reduction mechanism 41 and a
また、請求項2に記載の発明においては、一端が基台部1に回転可能に軸支されたアーム3と、一端が基台部1に連結されるとともに、他端がアーム3に連結されたバランス機構4と、を有し、このバランス機構4は減速機構41とサーボモータ42とからなる駆動機構を有し、このサーボモータ42はアーム3の基台部1の回転中心周りの重力バランス力Fgを打ち消す方向に駆動トルクを発生することを特徴とする産業用ロボットを提供した。
Further, in the invention described in claim 2, one end is rotatably supported by the base portion 1 and one end is connected to the base portion 1, and the other end is connected to the arm 3. The balance mechanism 4 has a drive mechanism including a speed reduction mechanism 41 and a
一般に、一端が基台部1に回転可能に軸支されたアーム3には、アーム3を含む各関節軸の姿勢や先端の関節軸に把持された負荷に応じて重力モーメントが作用する。そのため、一端が基台部1に連結されるとともに、他端がアーム3に連結されたバランス機構4においては、アーム3に作用する前述の重力モーメントとバランスする力を付与することが望ましい。しかし、アーム3を含む各関節軸の姿勢が時々刻々と変化したり負荷の質量が都度変化したりすると、重力モーメントも変化することになるので、従来の外部の駆動源を必要としないバネや貯圧タンクを有する空圧シリンダや油圧シリンダにより構成されたバランス機構では、常に適正なバランス力を付与することはできなかった。一方、本願の請求項2に係る発明では、バランス機構4は減速機構41とサーボモータ42とからなる駆動機構を有し、さらにこのサーボモータ42はアーム3の基台部1の回転中心周りの重力バランス力Fgを打ち消す方向に駆動トルクを発生するようにされているので、アーム3を含む各関節軸の姿勢が時々刻々と変化したり負荷の質量が都度変化したりする場合でも、アーム3に作用する重力モーメントとバランスする力を、都度、バランス機構4のサーボモータ42に付与することにより、常に適正なバランス力を付与することができる。
In general, a moment of gravity acts on the arm 3 whose one end is pivotally supported by the base 1 depending on the posture of each joint axis including the arm 3 and the load held on the joint shaft at the tip. Therefore, in the balance mechanism 4 in which one end is connected to the base part 1 and the other end is connected to the arm 3, it is desirable to apply a force that balances the aforementioned gravitational moment acting on the arm 3. However, if the posture of each joint axis including the arm 3 changes from moment to moment or the mass of the load changes every time, the gravitational moment also changes. Therefore, a spring that does not require a conventional external drive source, With a balance mechanism constituted by a pneumatic cylinder or a hydraulic cylinder having a pressure storage tank, an appropriate balance force cannot always be applied. On the other hand, in the invention according to claim 2 of the present application, the balance mechanism 4 has a drive mechanism including a speed reduction mechanism 41 and a
また、請求項3に係る発明では、一端が基台部1に回転可能に軸支されたアーム3と、このアーム3の基台部1とは反対側の他端に回転可能に軸支されたアーム8と、このアーム8のアーム3とは反対側の他端に連結された手首部10と、アーム3とアーム8との連結部に搭載された前記手首部10の駆動機構と、一端が基台部1に連結されるとともに、他端がアーム3に連結されたバランス機構4と、を有し、このバランス機構4は減速機構41とサーボモータ42とからなる駆動機構を有し、アーム3およびアーム8のそれぞれの長手方向のアーム長さ(L1、L2)、重心位置(L12、L22)、および質量(M1、M2)、前記手首部10の駆動機構の質量(M11)、前記手首部10の質量(ML)、およびアーム3およびアーム8のそれぞれの長手方向が水平方向とのなす角度(θ1、θ2)に基づいて、アーム3の基台部1の回転中心周りの重力バランス力Fgを算出する重力負荷演算回路5を有し、この重力負荷演算回路5にて算出された重力バランス力Fgを打ち消す方向にバランス機構4のサーボモータ42は駆動トルクを発生することを特徴とする産業用ロボットを提供した。なお、前述の手首部10の質量(ML)には、手首部10本体の質量の他に、手首部10がエンドエフェクタを装着している場合はこのエンドエフェクタの質量を含み、さらにエンドエフェクタがハンド装置である場合は、このハンド装置が把持した物品の質量を含むものとする。
In the invention according to claim 3, one end of the arm 3 is rotatably supported by the base portion 1, and the other end of the arm 3 opposite to the base portion 1 is rotatably supported. Arm 8, wrist portion 10 connected to the other end of arm 8 opposite to arm 3, drive mechanism of wrist portion 10 mounted on the connecting portion between arm 3 and arm 8, one end Is connected to the base unit 1 and has a balance mechanism 4 connected to the arm 3 at the other end. The balance mechanism 4 has a drive mechanism including a speed reduction mechanism 41 and a
この請求項3に係る発明では、アーム3およびアーム8のそれぞれの長手方向のアーム長さ(L1、L2)、重心位置(L12、L22)、および質量(M1、M2)、前記手首部10の駆動機構の質量(M11)、前記手首部10の質量(ML)、およびアーム3およびアーム8のそれぞれの長手方向が水平方向とのなす角度(θ1、θ2)に基づいて、アーム3の基台部1の回転中心周りの重力バランス力Fgが算出されることになる。そして、この算出された重力バランス力Fgを打ち消す方向にバランス機構4のサーボモータ42は駆動トルクを発生させるので、アーム3およびアーム8の姿勢が時々刻々と変化したり、手首部10に装着されたエンドエフェクタが把持した物品等の負荷の質量が都度変化したりする場合でも、アーム3に作用する重力モーメント(重力バランス力Fg)とバランスする力を、都度、バランス機構4のサーボモータ42が付与することにより、バランス機構4は常に適正なバランス力をアーム3に対して付与することができる。
In the invention according to claim 3, the arm length (L 1, L 2), the center of gravity (L 12, L 22), the mass (M 1, M 2) in the longitudinal direction of each of the arm 3 and the arm 8, Based on the mass (M11) of the drive mechanism, the mass (ML) of the wrist 10 and the angles (θ1, θ2) between the longitudinal directions of the arms 3 and 8 and the horizontal direction, the base of the arm 3 The gravity balance force Fg around the rotation center of the part 1 is calculated. Since the
なお、請求項3に係る発明において、重力バランス力Fgは好ましくは式(1)により算出するようにすればよい(請求項4)。ただし、式(1)において、L1はアーム3の長手方向のアーム長さ、L2はアーム8の長手方向のアーム長さ、L12はアーム3の重心位置、L22はアーム8の重心位置、M1はアーム3の質量、M2はアーム8の質量、M11は手首部10の駆動機構の質量、MLは手首部10の質量、θ1はアーム3の長手方向が水平方向とのなす角度、θ2はアーム8の長手方向が水平方向とのなす角度である。 In the invention according to claim 3, the gravity balance force Fg is preferably calculated by the equation (1) (claim 4). However, in Formula (1), L1 is the arm length in the longitudinal direction of the arm 3, L2 is the arm length in the longitudinal direction of the arm 8, L12 is the center of gravity of the arm 3, L22 is the center of gravity of the arm 8, and M1 is The mass of the arm 3, M2 is the mass of the arm 8, M11 is the mass of the driving mechanism of the wrist unit 10, ML is the mass of the wrist unit 10, θ1 is the angle between the longitudinal direction of the arm 3 and the horizontal direction, and θ2 is the arm 8 Is the angle formed by the longitudinal direction of the horizontal direction.
なお、前述の減速機構41の構成としては、既に知られている種々の構成のものが適用でき、例えばラックとピニオンとから構成されている(請求項6)直動減速機構を採用しても良いし(請求項5)、回転減速機構を採用しても良い(請求項7)。 As the configuration of the speed reduction mechanism 41 described above, various known configurations can be applied. For example, the speed reduction mechanism 41 includes a rack and a pinion (Claim 6). (Claim 5) or a rotational speed reduction mechanism may be adopted (Claim 7).
本発明によれば、多軸構成を有する多関節型の産業用ロボットのバランス機構において、独自に駆動力を発生する駆動機構を有するバランス機構を提供できるとともに、ロボット本体の動作により重力によるアンバランス力が時々刻々と変化する場合、あるいは負荷の質量が都度変化する場合にも、バランス機構はより正確な重力バランス力を発生することができるものとなった。そのため、駆動部のサイズを小さくすることなく、さらには駆動部が発生する力を重力により発生するアンバランス力に費消することなくアームの動作に使うことが可能となるので、産業用ロボットの動作性能を高くすることが可能となった。さらに、本発明の利用は、垂直多関節構造に限るものではなく、直動構成のロボットであっても、重力負荷のかかるものであれば有効に適用することができる。 According to the present invention, in the balance mechanism of an articulated industrial robot having a multi-axis configuration, it is possible to provide a balance mechanism having a drive mechanism that uniquely generates a drive force, and unbalance due to gravity by the operation of the robot body. Even when the force changes from moment to moment, or when the mass of the load changes each time, the balance mechanism can generate a more accurate gravity balance force. Therefore, it is possible to use it for arm operation without reducing the size of the drive unit, and further, without using the force generated by the drive unit for the unbalanced force generated by gravity. It became possible to improve performance. Further, the use of the present invention is not limited to a vertical articulated structure, and even a linear motion robot can be effectively applied as long as it is subjected to a gravity load.
本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係るバランス機構を有する産業用ロボットの概念図である図1を参照しながら説明する。この図1に示す垂直多関節構造を有する産業用ロボットにおいて、アーム3は駆動部2を介して基台部1に対して回転可能に(図1の紙面の左右方向に回転可能に)連結されている。駆動部2は、好ましくは図示しない回転減速機とサーボモータから構成されている。この駆動部2に作用する重力負荷を軽減するために、バランス機構4が設けられている。このバランス機構4の一端は基台部1に連結され、他端はアーム3に連結されている。このバランス機構4は、減速機構41とサーボモータ42からなる駆動機構で構成されている。この減速機構41の構成としては、ネジとナットあるいはラックとピニオンからなる直動減速機構から構成されている。
The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. First, it demonstrates, referring FIG. 1 which is a conceptual diagram of the industrial robot which has the balance mechanism which concerns on this embodiment. In the industrial robot having the vertical articulated structure shown in FIG. 1, the arm 3 is connected to the base unit 1 via the drive unit 2 so as to be rotatable (rotatable in the left-right direction on the paper surface of FIG. 1). ing. The drive unit 2 is preferably composed of a rotary speed reducer and a servo motor (not shown). In order to reduce the gravitational load acting on the drive unit 2, a balance mechanism 4 is provided. One end of the balance mechanism 4 is connected to the base portion 1, and the other end is connected to the arm 3. The balance mechanism 4 includes a drive mechanism that includes a speed reduction mechanism 41 and a
さらに、アーム3の基台部1とは反対側の端部にはアーム8がアーム3に対して回転可能に連結されている。このアーム8のアーム3とは反対側の他端には手首部10がアーム8に対して回転可能に連結されている。この手首部10はアーム8に対する回転軸も含め、1〜3軸の自由度を有するものとなっている。この手首部10には例えば溶接ガンやロボットハンドなどの図示しない任意のエンドエフェクタが取り付け可能にされている。 Further, an arm 8 is rotatably connected to the arm 3 at the end of the arm 3 opposite to the base portion 1. A wrist portion 10 is rotatably connected to the arm 8 at the other end of the arm 8 opposite to the arm 3. The wrist portion 10 has a degree of freedom of 1 to 3 axes including a rotation axis with respect to the arm 8. An arbitrary end effector (not shown) such as a welding gun or a robot hand can be attached to the wrist 10.
次に、本実施形態に係るバランス機構の制御部を示すブロック図である図2を参照しながら、バランス機構の制御について説明する。図2に示すように、本実施形態に係るバランス機構の制御部は、重力バランス力を演算する重力負荷演算回路5、演算された重力バランス力に釣り合うトルクを発生させるサーボモータ駆動回路6、および重力負荷演算回路5において演算を行うために必要なパラメータが記憶された記憶テーブル7から構成されている。
この記憶テーブル7に記憶されている前述のパラメータとしては、少なくとも、アーム3の長手方向のアーム長さL1、アーム8の長手方向のアーム長さL2、アーム3の重心位置L12、アーム8の重心位置L22、アーム3の質量M1、アーム8の質量M2、手首部10の駆動機構の質量M11、手首部10の質量MLが含まれている。これらのバランス機構の制御部を構成する前述の重力負荷演算回路5、サーボモータ駆動回路6、および記憶テーブル7は、産業用ロボットを制御する図示しないロボット制御装置に内蔵されている。前述の重力負荷演算回路5においては、ロボットの運転によって変化するアーム3の各関節軸の長手方向が水平方向とのなす角度(θ1、θ2、・・・、θn)、および記憶テーブル7に記憶されている前述のパラメータに基づいて、アーム3の基台部1の回転中心周りの重力バランス力Fgを算出する。
Next, control of the balance mechanism will be described with reference to FIG. 2 which is a block diagram showing a control unit of the balance mechanism according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the control unit of the balance mechanism according to the present embodiment includes a gravity
The aforementioned parameters stored in the storage table 7 include at least the arm length L1 in the longitudinal direction of the arm 3, the arm length L2 in the longitudinal direction of the arm 8, the gravity center position L12 of the arm 3, and the gravity center of the arm 8. The position L22, the mass M1 of the arm 3, the mass M2 of the arm 8, the mass M11 of the driving mechanism of the wrist 10 and the mass ML of the wrist 10 are included. The aforementioned gravity
ここで、本実施形態に係る重力負荷演算回路5における演算を説明するための概念図である図3を参照しながら、重力負荷演算回路5において実行される本実施形態に係る演算処理について説明する。図3において、各々の記号の意味は次の通りである。まず、前述のアーム3に相当するJ1軸アームについて、θ1はJ1軸アームの長手方向が水平方向とのなす角度、L1はJ1軸アームの長手方向のアーム長さ、M1はJ1軸アームの質量、L12はJ1軸アームの重心のJ1軸回転中心からの距離すなわちJ1軸アームの重心位置である。次に、前述のアーム8に相当するJ2軸アームについて、θ2はJ2軸アームの長手方向が水平方向とのなす角度、L2はJ2軸アームの長手方向のアーム長さ、M2はJ2軸アームの質量、L22はJ2軸アームの重心のJ2軸回転中心からの距離すなわちJ2軸アームの重心位置である。なお、J1軸アームの長手方向が水平方向とのなす角度θ1及びJ2軸アームの長手方向が水平方向とのなす角度θ2の検出方法としては、これら各軸アームを駆動するサーボモータに付属の位置検出器等から得た検出データに基づいて算出するようにすればよい。
Here, the calculation processing according to the present embodiment executed in the gravity
次に、手首部10の負荷について、MLはアーム先端(J2軸アームの先端)の手首部10の負荷の質量である。なお、この手首部10の負荷の質量としては、手首部10本体の質量の他に、手首部10がエンドエフェクタを装着している場合はこのエンドエフェクタの質量を含み、さらにエンドエフェクタがハンド装置である場合は、このハンド装置が把持した物品の質量を含むものとする。さらに、駆動部の負荷について、M11は駆動部の質量であり、例えば前述の手首部10が有する駆動軸を駆動するための図示しないサーボモータ等の質量である。 Next, regarding the load on the wrist portion 10, ML is the mass of the load on the wrist portion 10 at the arm tip (tip of the J2 axis arm). In addition to the mass of the wrist 10 main body, the load mass of the wrist 10 includes the mass of the end effector when the wrist 10 is equipped with an end effector. In this case, the mass of the article gripped by the hand device is included. Further, regarding the load of the drive unit, M11 is the mass of the drive unit, for example, the mass of a servo motor (not shown) for driving the drive shaft of the wrist 10 described above.
この場合のJ1軸アームの基台部1の回転中心周りすなわちJ1軸回転中心周りの重力バランス力Fgは、次の式(1)で与えられる。 In this case, the gravity balance force Fg around the rotation center of the base 1 of the J1 axis arm, that is, around the J1 axis rotation center is given by the following equation (1).
したがって、重力負荷演算回路5において、J1軸アームの長手方向が水平方向とのなす角度θ1及びJ2軸アームの長手方向が水平方向とのなす角度θ2により、式(1)に基づいて、定期的(例えば図2に示したバランス機構の制御部の演算周期毎)にJ1軸回転中心周りの重力バランス力Fgを演算し、これをサーボモータ駆動回路6に入力することにより、バランス機構4を駆動するサーボモータ42は重力バランス力Fgを打ち消す方向に駆動トルクを発生させることになる。これにより、J1軸アームおよびJ2軸アームの各関節の姿勢が時々刻々変化する場合においても、バランス機構4は正確な重力バランス力を発生させることができる。
Therefore, in the gravity
図4は、前述の図1を更に詳細に記載したバランス機構の機構部の説明図である。アーム3の駆動部2は、歯車で図示された減速機構21、および減速機構21の歯車を回転させるサーボモータ22を有している。この駆動部2のサーボモータ22は基台部1に取り付けられ、駆動部2のサーボモータ22の先端には歯車が取り付けられ、アーム3(J1軸アーム)に取り付けられた歯車を歯のかみ合いにより回転させることにより、アーム3(J1軸アーム)を基台部1に対して回転させるようにしている。バランス機構4は、ラックとピニオンで構成された減速機構41、およびピニオン歯車を回転させるサーボモータ42からなる。このバランス機構4は、その一端は基台部1に取り付けられ、他端はアーム3(J1軸アーム)に取り付けられている。また、アーム3(J1軸アーム)に取り付けられたアーム8(J2軸アーム)の駆動部9により、アーム3(J1軸アーム)の基台部1とは反対側に連結されたアーム8(J2軸アーム)がアーム3(J1軸アーム)に対して回転駆動される。
FIG. 4 is an explanatory view of the mechanism portion of the balance mechanism, which describes the above-described FIG. 1 in more detail. The drive unit 2 of the arm 3 includes a speed reduction mechanism 21 illustrated with gears, and a servo motor 22 that rotates the gears of the speed reduction mechanism 21. The servo motor 22 of the drive unit 2 is attached to the base unit 1, a gear is attached to the tip of the servo motor 22 of the drive unit 2, and the gear attached to the arm 3 (J1 axis arm) is engaged by tooth engagement. By rotating, the arm 3 (J1 axis arm) is rotated with respect to the base unit 1. The balance mechanism 4 includes a speed reduction mechanism 41 composed of a rack and a pinion, and a
ところで、バランス機構4の減速機構41の構成としては、前述の図4で示したラックとピニオンで構成された減速機構だけではなく、同様な直動減速機構としてネジとナットで構成された減速機構としてもよい。さらに、これら直動減速機構の代わりに、図1で示すところのアーム3を介して駆動部2の反対側(図1の紙面の裏側)に、回転減速機構とサーボモータからなる駆動機構を用いることにより、同様な機能を奏するようにしてもよい。 Incidentally, the configuration of the speed reduction mechanism 41 of the balance mechanism 4 is not limited to the speed reduction mechanism configured by the rack and pinion shown in FIG. 4 described above, but a speed reduction mechanism configured by screws and nuts as a similar linear motion speed reduction mechanism. It is good. Further, instead of these linear motion reduction mechanisms, a drive mechanism comprising a rotation speed reduction mechanism and a servo motor is used on the opposite side of the drive unit 2 (back side of the paper surface of FIG. 1) via the arm 3 shown in FIG. Thus, a similar function may be achieved.
具体的には、図5は、前述のラックとピニオンで構成された直動減速機構の実施形態である図4に対して、減速機構41を回転減速機構とした実施形態を示した機構図である。また、図6は、図5のバランス機構を説明するための拡大断面図である。なお、前述の図4と構成が同じものについては説明を省略する。基台部1にはバランス機構4のサーボモータ42が取り付けられ、このサーボモータ42の先端には歯車が取り付けられ、アーム3(J1軸アーム)に取り付けられたバランス機構4の減速機構41の歯車を、歯のかみ合いにより回転させることにより、アーム3(J1軸アーム)を基台部1に対して回転させるようにしている。
Specifically, FIG. 5 is a mechanism diagram showing an embodiment in which a speed reduction mechanism 41 is a rotational speed reduction mechanism, compared to FIG. 4 which is an embodiment of a linear motion speed reduction mechanism composed of the rack and pinion described above. is there. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view for explaining the balance mechanism of FIG. Note that a description of the same components as those in FIG. 4 is omitted. A
これら図4および図5に示した2つの実施形態のものについては、いずれもアーム3(J1軸アーム)に取り付けられたバランス機構4の減速機構41の歯車を、歯のかみ合いにより回転させる方向に力を発生させることにより、バランス力を発生させるようにしている。すなわち、前述した式(1)により算出したJ1軸アームの回転軸であるJ1軸回転中心周りの重力バランス力Fgを打ち消す方向に、バランス機構4のサーボモータ42はバランス力としての駆動トルクを発生させることになる。
In both of the embodiments shown in FIGS. 4 and 5, the gear of the speed reduction mechanism 41 of the balance mechanism 4 attached to the arm 3 (J1 axis arm) is rotated in the direction of meshing teeth. By generating force, the balance force is generated. That is, the
以上、本発明の実施形態について説明した。前述の図3においては、J1軸アームおよびJ2軸アームの2軸構成の関節軸構造のもので説明したが、一般的な垂直多関節ロボットの軸構成である6軸構造に拡張しても、重力バランス力は前述した2軸構成の場合と同様に幾何的に容易に求めることができる。また、本発明の利用は、垂直多関節構造に限るものではなく、直動構成のロボットであっても、重力負荷のかかるものであれば有効に適用することができる。さらに、手首部10に取り付けられた負荷については、その有無も含めて負荷の質量が都度変化する場合にも本実施形態に係る方法が適用できることは、前述の式(1)において手首部10の負荷の質量MLを変数として扱うことにより可能となることから、容易であることは言うまでもない。例えば、産業用ロボットがエンドエフェクタとしてのロボットハンドにより把持した物品を搬送する搬送ロボットの場合、前述したように、手首部10の負荷の質量MLとしては被搬送物である物品の質量をも含むものとなっているので、被搬送物である物品の質量が都度変化する使用形態のものであっても、バランス機構4は正確な重力バランス力を発生させることができる。このようにして、本実施形態に係る方法により、多関節構造の各関節軸の姿勢が時々刻々変化したり、負荷の質量が都度変化したりする場合の重力バランスの解決法を与えることが可能となる。 The embodiment of the present invention has been described above. In FIG. 3 described above, the description has been given with the joint shaft structure of the two-axis configuration of the J1 axis arm and the J2 axis arm. However, even if it is expanded to the six-axis structure that is the axis configuration of a general vertical articulated robot, The gravity balance force can be easily obtained geometrically as in the case of the two-axis configuration described above. Further, the use of the present invention is not limited to a vertical articulated structure, and even a linear motion robot can be effectively applied as long as it is subjected to a gravity load. Further, regarding the load attached to the wrist portion 10, the method according to the present embodiment can be applied even when the mass of the load changes each time including the presence or absence of the load. Needless to say, this is possible because the load mass ML is handled as a variable. For example, in the case of a transport robot that transports an article gripped by a robot hand as an end effector by an industrial robot, as described above, the load ML of the wrist 10 includes the mass of the article that is the object to be transported. Therefore, the balance mechanism 4 can generate an accurate gravity balance force even in a usage pattern in which the mass of an article that is a transported object changes each time. In this way, the method according to the present embodiment can provide a solution for gravity balance when the posture of each joint axis of the multi-joint structure changes from moment to moment or the load mass changes each time. It becomes.
1 基台部
2 アーム3の駆動部
21 駆動部2の減速機構
22 駆動部2のサーボモータ
3 アーム(J1軸アーム)
4 バランス機構
41 バランス機構4の減速機構
42 バランス機構4のサーボモータ
5 重力負荷演算回路
6 サーボモータ駆動回路
7 記憶テーブル
8 アーム(J2軸アーム)
9 アーム8の駆動部
91 駆動部9の減速機構
92 駆動部9のサーボモータ
10 手首部
L1 アーム3の長手方向のアーム長さ
L2 アーム8の長手方向のアーム長さ
L12 アーム3の重心位置
L22 アーム8の重心位置
M1 アーム3の質量
M2 アーム8の質量
M11 手首部10の駆動機構の質量
ML 手首部10の質量
θ1 アーム3の長手方向が水平方向とのなす角度
θ2 アーム8の長手方向が水平方向とのなす角度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base part 2 Drive part of arm 3 Deceleration mechanism of drive part 2 Servo motor of drive part 2 3 Arm (J1 axis arm)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 Balance mechanism 41 Deceleration mechanism of balance mechanism 4 42 Servo motor of balance mechanism 4 5 Gravity load calculation circuit 6 Servo
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Drive part of arm 8 91 Deceleration mechanism of drive part 92 Servo motor of drive part 10 Wrist part L1 Arm length of arm 3 in the longitudinal direction L2 Arm length of arm 8 in the longitudinal direction L12 Position of center of gravity of arm 3 L22 The center of gravity of the arm 8 M1 The mass of the arm 3 M2 The mass of the arm 8 M11 The mass of the driving mechanism of the wrist 10 ML The mass of the wrist 10 θ1 The angle between the longitudinal direction of the arm 3 and the horizontal direction θ2 The longitudinal direction of the arm 8 is Angle made with the horizontal direction
Claims (7)
一端が前記基台部1に連結されるとともに、他端が前記アーム3に連結されたバランス機構4と、を有し、
前記バランス機構4は減速機構41とサーボモータ42とからなる駆動機構を有することを特徴とする産業用ロボット。 An arm 3 whose one end is rotatably supported by the base 1;
A balance mechanism 4 having one end connected to the base portion 1 and the other end connected to the arm 3;
The balance mechanism 4 has a drive mechanism composed of a speed reduction mechanism 41 and a servo motor 42, and is an industrial robot.
一端が前記基台部1に連結されるとともに、他端が前記アーム3に連結されたバランス機構4と、を有し、
前記バランス機構4は減速機構41とサーボモータ42とからなる駆動機構を有し、
前記サーボモータ42は前記アーム3の前記基台部1の回転中心周りの重力バランス力Fgを打ち消す方向に駆動トルクを発生することを特徴とする産業用ロボット。 An arm 3 whose one end is rotatably supported by the base 1;
A balance mechanism 4 having one end connected to the base portion 1 and the other end connected to the arm 3;
The balance mechanism 4 has a drive mechanism including a speed reduction mechanism 41 and a servo motor 42,
The industrial robot according to claim 1, wherein the servo motor 42 generates a drive torque in a direction to cancel the gravity balance force Fg around the rotation center of the base portion 1 of the arm 3.
該アーム3の前記基台部1とは反対側の他端に回転可能に軸支されたアーム8と、
該アーム8の前記アーム3とは反対側の他端に連結された手首部10と、
前記アーム3と前記アーム8との連結部に搭載された前記手首部10の駆動機構と、
一端が前記基台部1に連結されるとともに、他端が前記アーム3に連結されたバランス機構4と、を有し、
前記バランス機構4は減速機構41とサーボモータ42とからなる駆動機構を有し、
前記アーム3および前記アーム8のそれぞれの長手方向のアーム長さ(L1、L2)、重心位置(L12、L22)、および質量(M1、M2)、前記手首部10の駆動機構の質量(M11)、前記手首部10の質量(ML)、および前記アーム3および前記アーム8のそれぞれの長手方向が水平方向とのなす角度(θ1、θ2)に基づいて、前記アーム3の前記基台部1の回転中心周りの重力バランス力Fgを算出する重力負荷演算回路5を有し、
該重力負荷演算回路5にて算出された重力バランス力Fgを打ち消す方向に前記バランス機構4のサーボモータ42は駆動トルクを発生することを特徴とする産業用ロボット。 An arm 3 whose one end is rotatably supported by the base 1;
An arm 8 rotatably supported on the other end of the arm 3 opposite to the base 1;
A wrist portion 10 connected to the other end of the arm 8 opposite to the arm 3;
A drive mechanism for the wrist portion 10 mounted on a connecting portion between the arm 3 and the arm 8;
A balance mechanism 4 having one end connected to the base portion 1 and the other end connected to the arm 3;
The balance mechanism 4 has a drive mechanism including a speed reduction mechanism 41 and a servo motor 42,
The arm length (L1, L2), the center of gravity (L12, L22), and the mass (M1, M2) in the longitudinal direction of each of the arm 3 and the arm 8, and the mass (M11) of the drive mechanism of the wrist 10 Based on the mass (ML) of the wrist portion 10 and the angles (θ1, θ2) formed by the longitudinal directions of the arms 3 and 8 with respect to the horizontal direction, the base portion 1 of the arm 3 A gravity load calculation circuit 5 for calculating a gravity balance force Fg around the center of rotation;
The industrial robot characterized in that the servo motor 42 of the balance mechanism 4 generates a drive torque in a direction to cancel the gravity balance force Fg calculated by the gravity load calculation circuit 5.
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