JP2813179B2

JP2813179B2 - 産業用ロボット

Info

Publication number: JP2813179B2
Application number: JP63083567A
Authority: JP
Inventors: 佳延石川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-04-05
Filing date: 1988-04-05
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: JPH01257589A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、平行四辺形状のリンク機構を有する産業用
ロボットに関するものである。

（従来の技術）従来、上記のような産業用ロボットとしては、例え
ば、第６図に示すような多関節ロボットが知られてい
る。このロボットは、ベース11を有し、このベース11上
には、鉛直軸Ｘを中心として第１軸12として回動する本
体13が設けられている。この本体13には、第１のリンク
14、第２のリンク15、第３のリンク16および第４のリン
ク17が平行四辺形状のリンク機構を構成して設けられて
いる。第１のリンク14は、支点Ｏ回りの第２軸18とし
て、第２のリンク15は支点Ｏ回りの第３軸19として、そ
れぞれ駆動装置によって揺動されるようになっている。
第４のリンク17にはアーム20が設けられ、このアーム20
の先端には手首部21が設けられている。そして、第１の
リンク14および第２のリンク15を駆動装置によって揺動
させることによって、手首部21を第６図中符号Ｓで示す
範囲に移動させるようになっている。

このようなロボットにおいては、姿勢変動に伴い手首
部分21、アーム20、第４のリンク17および第１のリンク
14等の重量によりアンバランスを生じており、第１のリ
ンク14および第２のリンク19を揺動させる第２軸18、第
３軸19の駆動装置にこのアンバランスによる負荷を生じ
させている。

そこで、従来はこれらモーターの負荷を低減するため
に、第１のリンク14および第２のリンク15に釣り合いの
機構を設けている。すなわち、第１のリンク14には、一
端が第１のリンク14の上端に取り付けられ、他端が本体
13に取り付けられたバネからなるバランサ22が設けら
れ、第１のリンク14を揺動させる駆動装置に加わる力を
バランスさせるようになっている。また、第３のリンク
16には、その下端部にカウンタウェイト23が設けられ、
第２のリンク15を揺動させる駆動装置に加わる力をバラ
ンスさせるようになっている。

（発明が解決しようとする課題）ところで、上記の産業用ロボットにあっては、バラン
スをとるための手段としてバランサ22およびカウンタウ
ェイト23を有しているが、リンクのあらゆる姿勢に対し
て釣り合いをとることができず、姿勢よっては駆動装置
にかかる負荷が大きくなるという問題があった。また、
別々の釣り合い手段を必要とするため、部品点数が増加
するとともに組立性、保守性および信頼性が低下すると
いう問題点があった。さらに、搬送重量を変更する場合
には、バランサ22のバネ張力およびカウンタウェイト23
の重量の両方の調整が必要となり、調整作業に手間がか
かるという問題点もあった。

また、第２軸18に対する釣り合い用のバランサ22は、
バネの反力を利用している。このため、あらゆる姿勢に
おいて第２軸に加わるモーメントが釣り合うように設計
することは難しく、さらにバネの寿命にも限度があるた
め、信頼性を維持しにくいという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決し、リンクのあらゆる姿
勢に対してバランスをとることができ、部品点数を削減
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。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は上記課題を解決するためになされたものであ
って、支持体と、この支持体の支持部に一端が連結され
るとともに鉛直面内で揺動可能に取り付けられた第１の
リンクおよび第２のリンクと、前記第１のリンクと同一
長さを有し、その一端が前記第２のリンクの他端に連結
されるとともに鉛直面内で揺動する第３のリンクと、前
記第２のリンクと同一長さを有し、その一端が前記第３
のリンクの他端に連結されるとともに、その他端が前記
第１のリンクの他端に連結され、鉛直面内で揺動する第
４のリンクと、前記第４のリンクの他端に前記第４のリ
ンクの一端から他端に向う方向に突出して設けられたア
ームと、このアームの先端に設けられた手首部とを備え
た産業用ロボットにおいて、前記第３のリンクの一端
に、この第３のリンクの他端から一端に向う方向へ突出
する突出部を設け、この突出部にカウンタウェイトを設
け、このカウンタウェイトを、前記手首部と前記支持部
とを結ぶ直線と前記突出部との交点の近傍に設け、前記
手首部の姿勢を支持体に対し一定に保つ手首姿勢保持部
を設けた構成とされている。

また、前記手首姿勢保持部は、前記アーム及び前記手
首部をリンクとして含む平行四辺形状の第２のリンク機
構と、一端が前記支持体に固定された固定リンク及び前
記第１のリンクをリンクとして含む平行四辺形状の第３
のリンク機構とを備えている。

（作用）本発明にあっては、第３のリンクの一端に、この第３
のリンクの他端から一端に向う方向へ突出する突出部を
設け、この突出部にカウンタウェイトを設け、このカウ
ンタウェイトを、手首部と支持部とを結ぶ直線と前記突
出部との交点の近傍に設けているから、リンクのあらゆ
る姿勢変化に対して、手首部と支持部との距離と、カウ
ンタウェイトと支持部との距離との比を一定に保つこと
ができる。したがって、一つのカウンタウェイトを設け
るだけでリンクのあらゆる姿勢に対してバランスをとる
ことができ、リンクを駆動させる駆動装置の負荷を減少
させることができる。また、部品点数を減少させること
ができ、したがって製作コストを削減させることができ
るとともに組立性、保守性および信頼性を向上させるこ
とができる。

（実施例）以下本発明の実施例について、第１図ないし第５図を
参照して説明する。

第１図において、符号31はベースを示すものである。
このベース31には支持体32が設けられている。この支持
体32は、ベース31に鉛直軸Ｙを中心に第１軸33として回
動自在に支持されており、駆動装置34によって旋回する
ようになっている。この支持体32の上端部には、支点J₁
が設けられている。この支点J₁は、後述するカウンタウ
ェイトを鉛直軸Ｙの近傍に位置せしめるために、鉛直軸
ＹからオフセットＦだけ側方にシフトした位置に配設さ
れている。この支点J₁には、第１のリンク35が上方に向
って設けられている。この第１のリンク35は、支点J₁に
その下端が連結され支点J₁を中心として鉛直面内で揺動
可能に配設されている。そして、この第１のリンク35
は、駆動装置36によって第２軸37として揺動するように
なっている。また、支点J₁には、第２のリンク38が設け
られている。この第２のリンク38は、その一端を支点J₁
に連結して側方に向って設けられており、ジョイントJ₁
を中心として鉛直面内で揺動できるように配設されてい
る。そして、この第２のリンク38は、駆動装置39によっ
て第３軸40として揺動するようになっている。

第２のリンク38の他端には、ジョイントJ₂が設けら
れ、このジョイントJ₂には第１のリンク35と同一長さの
第３のリンク41が上方に向って設けられている。この第
３のリンク41は、その下端をジョイントJ₂に連結され、
このジョイントJ₂を中心として揺動可能に配設されてい
る。

この第３のリンク41の下端には、下方へ向って突出す
る突出部42が設けられており、その下端にはカウンタウ
ェイト43が設けられている。このカウンタウェイト43
は、複数のウェイトをボルトで締結してなるものであっ
て、必要に応じてウェイトを増減できるようになってい
る。このカウンタウェイト43は、ジョイントJ₁を鉛直軸
ＹからオフセットＦだけ側方にシフトすることによっ
て、鉛直軸Ｙの近傍に配置されている。したがって、こ
のカウンタウェイト43のGD²を小さくすることができ
る。一方、第３のリンク41の上端および第１のリンク35
の上端にはそれぞれジョイントJ₃、ジョイントJ₄が設け
られ、これらジョイントJ₃、ジョイントJ₄間には、第２
のリンク38と同一長さの第４のリンク44がその両端を連
結されて設けられている。この第４のリンク44のジョイ
ントJ₄の側の端部には、ジョイントJ₃からジョイントJ₄
に向う方向に突出したアーム45が設けられている。

このような構成において、第１のリンク35、第２のリ
ンク38、第３のリンク41および第４のリンク44は、平行
四辺形状の第１のリンク機構46を構成している。そし
て、第１のリンク35、第２のリンク38を駆動装置36、39
で揺動させることによって、リンク機構を駆動し、アー
ム45の先端を所望の位置に移動するようになされてい
る。なお、ジョイントを介して互いに隣接するリンク
は、その揺動面が重ならないように側方にずらして配設
されており、リンク同士が互いに干渉しないようになっ
ている。

アーム45の先端には、手首部分47が設けられており、
この手首部分47は水平方向のジョイントP₁を中心として
回動可能に取り付けられている。この手首部分47の下部
には、手首フランジ48が設けられている。この手首フラ
ンジ48は、略鉛直方向の軸を中心として回動可能に配設
されており、手首部分47に設けられた駆動装置49によっ
て第４軸50として回動できるようになっている。一方ジ
ョイントJ₄にはプレート51が回動可能に設けられてお
り、このプレート51のジョイントK₁と手首部分47の上端
のジョイントK₂との間には第１のロッド52が連結されて
いる。また、プレート51のジョイントK₃と支持体32の上
端部のジョイントK₄との間には第２のロッド53が連結さ
れている。そして、アーム45、ジョイントP₁、手首部分
47、ジョイントK₂、第１のロッド52、ジョイントK₁、プ
レート51、ジョイントJ₄は平行四辺形状の第２のリンク
機構54を構成している。また、第１のリンク35、ジョイ
ントJ₄、プレート51、ジョイントK₃、第２のロッド53、
ジョイントK₄、及びK₄からジョイントJ₁に至る方向にあ
り一端が支持体32上の固定点に固定された固定リンクも
平行四辺形状の第３のリンク機構55を構成している。し
たがって、これら第２および第３のリンク機構54、55に
よって、第１のリンク35とアーム45が揺動しても手首フ
ランジ48の回転軸は常に鉛直方向に維持されるようにな
っている。

ここで、手首部分とカウンタウェイトの位置関係につ
いて説明する。第２図は、この実施例の原理を示す図で
あって、第１図に示す構成要素と同一の符号を付してい
る。なお、符号P₁、P₂はそれぞれ手首部47、カウンタウ
ェイト43の位置を示す。

この図に示すリンク機構は、リンク長比において次の
ような関係がある。

J₄P₁:J₄J₁＝J₂J₁:J₂P₂ また、平行の条件より ∠P₁J₄J₁＝∠J₁J₂P₂ であるから常に△P₁J₄J₁と△J₁J₂P₂とは相似である。

このことにより、手首部P₁とカウンタウェイトP₂は支
点J₁に対して常に点等比対象すなわち、距離の比（a:
b）がいつも一定になるように位置している。したがっ
て、このカウンウェイトは手首部がどのように移動して
も常に第２軸、第３軸の両軸の釣り合いを実現できる。
またこの機構はいわゆるパンタグラフの機構を構成して
いる。このため、第３図に示すように、手首部P₁の軌跡
A₁B₁C₁D₁とカウンタウェイトP₂の軌跡A₂B₂C₂D₂は相似形
となり、カウンタウェイトの位置P₂での動作制限はその
形状がそのまま手首部P₁の動作領域制限にもなる。

ところで、第２図では、簡単のため各リンクには質量
はないものと説明したが、実際には、質量がある。そこ
で、以下により現実的なカウンタウェイトの設計方法に
ついて説明をする。

第４図は、カウンタウェイト43の位置と質量を決定す
る際の説明図である。手首部分47には手首に加えて搬送
物やハンド込みの質量W₄₇があり、リンク35はリンク44
上の等価質量W₃₅があり、リンク44とアーム45は質量W₄₄
がある。これらを合わせて、上腕部分全体の重心すなわ
ちW₃₅、W₄₄およびW₄₇の全体の重心G₁となっている。そ
こで、この重心G₁に均り合うカウンタウェイト43の位置
と質量は、リンク41と突出部42の質量W₄₁とリンク38の
等価質量W₃₈とカウンタウェイト43の質量W₄₃との全体の
重心G₂が重心G₁に均り合うという条件より求まる。ここ
に、全体の重心G₂の位置は、△G₂J₂J₁と△J₁J₄G₁とが相
似でないとあらゆる姿勢でバランスしないという条件よ
り、線分G₁J₁の延長線上でありかつG₂J₂J₁J₄であるこ
とより求まる。また質量は線分G₁J₁と線分G₂J₁との比率
で求まる。さらに、ロボットがハンドでワークを搬送す
るような使い方の場合、物を把持した時と離した時の中
間値に適合させるのが、カウンタウェイトの位置と質量
の決定上最適である。このような使い方の場合、ワーク
の有無でアンバランスを生じており、目的の使い方に適
合する様に意図してカウンタウェイトの位置をズラすこ
とも考えられる。

上記のように、この実施例にあっては、第３のリンク
41の下端に、その上端から下端に向って突出する突出部
42を設け、この突出部42にカウンタウェイト43を設け、
このカウンタウェイト43を手首部47と支点J₁とを結ぶ直
線と突出部42との交点の近傍に設けているから、リンク
が揺動しても、あらゆる姿勢においてバランスをとるこ
とができる。したがって、第１のリンク35および第２の
リンク38を回動させる駆動装置の負荷を減少させること
ができる。また、１つのカウンタウェイトだけでバラン
スをとることができるので、製作コストを削減できると
ともに組立性、保守性および信頼性を向上させることが
できる。さらに、バランスさせる手段としてバネ等を使
用していないため半永久的な寿命を得ることができる。

また、支点J₁を鉛直軸ＹからオフセットＦだけ側方へ
シフトし、カウンタウェイト43を鉛直軸Ｙの近傍に位置
せしめているから、カウンタウェイト43のCD₂を小さく
することができ、駆動装置の負荷を小さくすることがで
きるとともに、鉛直軸Ｙから手首部47がアプローチでき
る距離を増加することができる。さらに、ジョイントを
介して互いに隣接するリンクは、その揺動面が重ならな
いように側方にずらして配設されているから、リンク同
士が互いに干渉するのを防止することができ、リンクの
長さの割に広い動作範囲を確保することができる。ま
た、カウンタウェイト43は分解や追加が可能なようにな
っているから、搬送する負荷重量に合わせて重量を増減
することができ、したがって駆動装置に加わる負荷を減
少させることができる。さらに、第１のロッド52、プレ
ート51、第２のロッド53を設け、手首部47と支持体32と
をリンク機構で連結しているから、手首部を支持体32に
対して常に同じ姿勢に維持することができる。したがっ
て、手首フランジ48を常に下向きに維持できるので、マ
テリアルハンドリングやパレタイジング作業に適したも
のとすることができる。

次に、他の実施例について第５図を参照して説明す
る。なお、この図において、第１図に示す実施例と同一
構成の部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この実施例は前述の第３図の原理を応用したものであっ
て、ロボットが誤動作した場合に手首部分の動作範囲を
制限するためのものである。第５図において、カウンタ
ウェイト43には突起物56が設けられている。この突起部
56は手首部分P₁の支点J₁に対する点等比対象点P₂の位置
に取付けられている。この突起物56はカウンタウェイト
43の揺動面に垂直に突起しており、その突起物56が動く
揺動面に矩形の環状体57を配置しこれを支持体32に取付
けている。環状体57にはその内壁の少し内側に光軸58が
通るように光学遮断式センサ59を取付けてあり、その信
号ケーブルはロボットのコントローラにつながってい
る。

このような構成において、ロボットの手首部分P₁を動
かすとそれに対応して点等比対象点P₂も動く。光学式遮
断センサ59の光軸58を突起物56が横切るとセンサ信号が
ロボットコントローラに送られ、非常停止がかかる。さ
らに動くと突起物56は環状壁57に当たり機械的に停止さ
れる。したがって、突起物56の動作範囲を環状体57およ
び光軸58で仕切られた矩形状の範囲内に限定することが
でき、第３図に示す原理から、手首部分P₁の動作範囲60
を矩形状の範囲に限定することができる。このようなこ
とから、プログラムソフト上の動作限（ソフトリミッ
ト）ばかりでなく、光学式遮断センサ59と環状体57とを
それぞれ動作限（ハードリミットとメカニカルストッ
パ）として用いることができる。

したがって、誤動作時における手首部分47の動作を確
実に一定の範囲に制限することができ、安全性を向上さ
せることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明にあっては、一つのカウ
ンタウェイトを設けるだけで、あらゆる姿勢においてバ
ランスをとることかでき、リンクを駆動させる駆動装置
の負荷を減少させることができる。また、部品点数を減
少させることができ、したがって製作コストを削減し、
組立性、保守性および信頼性を向上させることができる
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の一実施例を示す図であっ
て、第１図はその正面図、第２図はカウンタウェイトの
位置を決める原理を示す図、第３図はカウンタウェイト
の動作範囲と手首部の動作範囲を示す図、第４図は各リ
ンクおよびアーム等の重量をも考慮に入れてカウンタウ
ェイトの位置を決定する原理を示す図、第５図は本発明
の他の実施例を示す正面図、第６図は従来の産業用ロボ
ットを示す正面図である。 32……支持体、35……第１のリンク、38……第２のリン
ク、41……第３のリンク、42……突出部、43……カウン
タウェイト、44……第４のリンク、45……アーム、47…
…手首部、J₁……支点。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】支持体と、この支持体の支持部に一端が連
結されるとともに鉛直面内で揺動可能に取り付けられた
第１のリンクおよび第２のリンクと、前記第１のリンク
と同一長さを有し、その一端が前記第２のリンクの他端
に連結されるとともに鉛直面内で揺動する第３のリンク
と、前記第２のリンクと同一長さを有し、その一端が前
記第３のリンクの他端に連結されるとともに、その他端
が前記第１のリンクの他端に連結され、鉛直面内で揺動
する第４のリンクと、前記第４のリンクの他端に前記第
４のリンクの一端から他端に向う方向に突出して設けら
れたアームと、このアーム先端に設けられた手首部とを
備えた産業用ロボットにおいて、前記第３のリンクの一端に、この第３のリンクの他端か
ら一端に向う方向へ突出する突出部を設け、この突出部
にカウンタウェイトを設け、このカウンタウェイトを前
記手首部と前記支持部とを結ぶ直線と前記突出部との交
点の近傍に設け、前記手首部の姿勢を支持体に対し一定
に保つよう、前記アーム及び前記手首部をリンクとして
含む平行四辺形状の第２のリンク機構と、一端が前記支
持体に固定された固定リンク及び前記第１のリンクをリ
ンクとして含む平行四辺形状の第３のリンク機構と、前
記第２のリンク機構と前記第３のリンク機構とを連結す
る連結手段とを有する手首姿勢保持部を具備したことを
特徴とする産業用ロボット。