JPH06143183A - ハンドリングロボットとその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］動作領域が狭く、安価な制御系による直線移動
のみ行うもの。 ［構成］主動アーム６の回転に対して従動アーム１４が
従動して回転し、従動アーム１４の回転角が主動アーム
６の回転角の２倍であり、主動アーム６の回転半径と従
動アーム１４の回転半径とが等しいので、従動アーム１
４の傾動端は、直線軌道を描く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、工作機械に隣
接し併設され、ワークの供給・取り出しを行うこと等の
ために用いられるハンドリングロボットに関する。特
に、主動アームと従動アームとからなり、従動アームの
自由端部に取りつけられるワーク把持部を直線上に変位
させるハンドリングロボットに関する。

【０００２】

【従来技術】工作機械にワークを供給したり、工作機械
からワークを取り出したりする作業は、最近は、自動化
されハンドリングロボットにより行われる。従来、この
種の代表的なハンドリングロボットとして、形式上、円
筒座標系によるものと水平多関節系によるものなどが知
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記円筒座標系による
ものは、半径方向にアームが前進後退するため、後退時
後方へ突出するアーム後端の旋回半径が描く領域を占有
面積として、工場内に確保しなければならない問題点が
ある。

【０００４】他方、水平多関節系によるものは、第１ア
ームと第２アームとが互いに屈曲しながら水平面上で旋
回するため、両アームが旋回する領域内に干渉物を取り
除いておかねばならないので、その領域を占有面積とし
て、工場内に確保する必要があり、また、２地点間の変
位が直線的でなく制御された迂回曲線で行われ動作距離
の無駄が多く、さらに、関節を構成する制御モータの数
が多くなって制御系が複雑になる問題点がある。

【０００５】本発明は、前記技術的背景でなされたもの
であり、下記目的を達成する。

【０００６】本発明は、動作領域が狭く、簡素な制御系
による直線移動のみを行うハンドリングロボットを提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するため、次の手段を採る。

【０００８】支持台（１，３）と、前記支持台（１，
３）上で回転自在に設けられた回転軸（４）と、前記回
転軸（４）を回転駆動するための回転駆動手段（５）
と、前記回転軸（４）と一体的に回転する主動アーム
（６）と、前記主動アーム（６）の他端側に回転自在に
結合され、かつ前記主動アーム（６）の回転半径と等し
くした従動アーム（１４）と、前記回転軸（４）に対す
る前記主動アーム（６）の回転に連動させて前記従動ア
ーム（１４）を前記主動アーム（６）に対して回転させ
るための第１連動手段（７，１６，１３）と、前記主動
アーム（６）に対する前記従動アーム（１４）の回転に
連動させて前記従動アーム（１４）の他端の第４回転体
（１５）を回転させるための第２連動手段とからなり、
前記第１連動手段（７，１６，１３）は、前記主動アー
ム（６）に対し相対的に回転し前記支持台（１，３）に
一体的に支持される第１回転体（７）と、前記従動アー
ム（１４）に固定され前記従動アーム（１４）と同軸に
回転する第２回転体（１３）と、前記第１回転体（７）
と前記第２回転体（１３）との間を伝動する第１伝動手
段とからなり、前記第２連動手段は、前記主動アーム
（６）に固定され前記従動アーム（１４）と同軸に回転
する第３回転体（１１）と、前記第３回転体（１１）と
前記従動アーム（１４）の他端の前記第４回転体（１
５）との間を伝動する第２伝動手段とからなり、前記第
１回転体（７）に対する前記主動アーム（６）の回転角
をθ₁ で表し、前記従動アーム（１４）の前記主動アー
ム（６）に対する回転角をθ₂ で表すと、θ₂ ＝２θ₁
となるように、前記第１伝動手段を形成し、前記第３回
転体（１１）の前記従動アーム（１４）に対する回転角
をθ₃ で表し、前記従動アーム（１４）の他端の前記第
４回転体（１５）の回転角をθ₄ で表すと、θ₃ ＝２θ
₄ となるように、前記第２伝動手段を形成したことを特
徴とするハンドリングロボットである。

【０００９】前記第３回転体（１１）にモータ（２０）
の出力軸を結合したハンドリングロボットでも良い。更
に、前記回転軸（４）を回転自在に支持する旋回軸
（３）を前記支持台（１，３）に設けた構成でも良い。

【００１０】

【作用】本発明は、主動アームの回転に対して従動アー
ムが従動して回転し、従動アームの回転角が主動アーム
の回転角の２倍であり、主動アームの回転半径と従動ア
ームの回転半径とが等しいので、従動アームの傾動端
は、直線軌道を描く。

【００１１】また、他の発明は、前記従動アームの傾動
端の第４回転体の回転角が他の回転系に対し独立したも
のとしても動作する。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明のハンドリングロボットの
実施例１を示し、正面図である。図２は、その側面図で
ある。基台１の中に、第１制御モータ（図示せず）が内
蔵され、その第１制御モータの出力軸に旋回テーブル２
が結合され、旋回テーブル２上に垂直に設けられた旋回
軸３が固定されている。この旋回軸３には、水平方向に
貫通して、旋回軸３が回転自在に設けられている。この
回転軸４は、前記回転軸４に固定された第２制御モータ
５の出力軸と連結されている。前記回転軸４に、主動ア
ーム６の基端側が一体に固定されて取りつけられてい
る。また、前記旋回軸３には、回転軸４と同軸に主プー
リ７が固定され、かつ回転軸４と主プーリ７とは相互に
回転自在である。

【００１３】主動アーム６の他端、すなわち傾動端に
は、固定筒８が固定され、この固定筒８には、円盤９が
固定され、この円盤９には、水平軸１０の一端が固定さ
れている。この軸１０には、腕プーリ１１が固定されて
いる。

【００１４】更に前記主動アーム６の傾動端には、前記
水平軸１０を同軸に通す自由回転軸１２が回転自由に取
りつけられ、この自由回転軸１２には、従プーリ１３が
一体に固定されている。また、自由回転軸１２の他端
に、従動アーム１４の一端が固定されている。前記従動
アーム１４の他端、すなわち自由端には、手首プーリ１
５が回転自由に設けられている。

【００１５】前記主プーリ７と従プーリ１３との間に
は、主動ベルト１６が掛けられており、前記第１プーリ
７と第２プーリ１３の間の変速比は、１対２である。ま
た、前記腕プーリ１１と手首プーリ１５との間には、従
動ベルト１７が掛けられており、腕プーリ１１と手首プ
ーリ１５との間の変速比は、２対１である。

【００１６】前記手首プーリ１５には、把持部１８が固
定されている。この把持部１８は、ワークを把持するこ
とができる公知のロボットハンドである。

【００１７】作動 次に、前記実施例の動作を説明する。前記旋回軸３を固
定した状態で説明する。第２制御モータ５により回転さ
せられる回転軸４の角速度をωとする。図２の状態、即
ち、主動アーム６と従動アーム１４とが鉛直方向に重な
っている状態から、ｔ秒後に、角度θ＝ωｔ（ただし、
ｔは時間）だけ主動アーム６が回転したとする。そうす
ると図３に示すように、水平軸１０は、固定筒８、円盤
９を介して主動アーム６に固定されているので、角度θ
だけ、回転軸４を中心にして回転する。

【００１８】このとき、従動アーム１４に対し回転自在
に支持されている従プーリ１３は、主動ベルト１６によ
り主プーリ７に連結されているので、自転する。主プー
リ７は、旋回軸３に固定されているが、主動アーム６に
対して相対的に角度−θだけ回転し、また、主プーリ７
と従プーリ１３との速度比は、１対２に設定されている
ので、従プーリ１３は、角度−２θだけ回転する。従プ
ーリ１３は、自由回転軸１２を介して従動アーム１４に
固定的に結合されているので、従動アーム１４も角度−
２θだけ回転して、図３に示される状態がえられる。

【００１９】また、腕プーリ１１は水平軸１０に固定さ
れ、前記の通り水平軸１０は主動アーム６に固定されて
いるので、腕プーリ１１は、従動アーム１４に対して相
対的に回転し、角度＋θだけ自転する。前記腕プーリ１
１と手首プーリ１５との間には、従動ベルト１７が掛け
られており、腕プーリ１１と手首プーリ１５との間の変
速比は、２対１であるので、手首プーリ１５に固定され
た把持部１８は、旋回軸３及び主プーリ７に対しては結
果として回転せず、常に一定の方向を向いている。

【００２０】次に、従動アーム１４の傾動端、即ち、手
首プーリ１５の運動を数量化してその特性を説明する。
図３に抽象的に示すように、主動アーム６と従動アーム
１４の長さを共に等しく、Ｌ，Ｌとする。また、回転軸
４の中心線に直交する面上に直交座標をとり、回転軸４
の中心を原点Ｏで表す。水平軸１０の中心を点Ｂ、手首
プーリ１５の中心を点Ａで示す。原点Ｏを通る鉛直線ｙ
に対し反時計まわりに前記角度θを正方向にとる。前記
の通り、

【００２１】

【数１】 であり、△ＢＡＯは２等辺３角形であるので、

【００２２】

【数２】 である。従って、

【００２３】

【数３】 となり、直線ＯＡは、常に水平である。

【００２４】また、計算により、線分ＯＡ＝２Ｌｓｉｎ
θ。この明細書でＹに対するＸの微分を

【００２５】

【数４】 で表す。点Ａの単位角度当りの速度をＶで表すと、

【００２６】

【数５】 で表される。従って、原点Ｏから遠ざかるにしたがっ
て、３角関数による減速を行い、θ＝９０度で、即ち、
主動アーム６と従動アーム１４とが、水平になって１直
線になったときに、点Ａの速度は零になる。逆に、θ＝
０度のとき、即ち、図２に示す状態で、最高速度に達す
る。より具体的に述べると、回転軸４の角速度を一定の
ωとし、点Ａの単位時間当りの速度をＶで表すと、

【００２７】

【数６】 従って、ｔ＝０、即ち、θ＝０で最高速度２Ｌωにな
る。

【００２８】次に、把持部１８の瞬間速度、移動時間に
ついて具体的な数値を式（２），（３）に代入して検討
してみる。回転軸４の角速度が２．０６ｒａｄ／ｓにな
る第２制御モータ５を用いる。また、主動アーム６と従
動アーム１４の長さＬを５００ｍｍとし、基準点（前記
原点Ｏ）通過時の瞬間速度をＶ₀ で示すと、

【００２９】

【数７】 第２制御モータ５として、安川電機製サーボモータ・Ｕ
ＳＡＰＥＭ−０３ＣＥ２ＫＢ、３０００ｒｐｍ、減速機
として帝人精機製減速機・ＲＶ−３０、減速比＝１／１
５３を用いた。いま、時定数を３００ｍｓと仮定する。
前記基準点Ｏから動作端まで把持部１８が移動する距離
を第２制御モータ５の回転数に換算すると、回転軸４の
回転数は１／４であるので、（１／４）・１５３＝３
８．２５（ｒｅｖ）である。前記３００ｍｓの加速レー
トで定格回転数に達するまでの回転量Ｓ₁ は、

【００３０】

【数８】 となる。したがって、全回転量のうち、加減速区間の回
転量は、

【００３１】

【数９】 である。これから、等速度区間の回転量は、

【００３２】

【数１０】 したがって、等速度区間の通過時間Ｔ_C は、

【００３３】

【数１１】 また、全動作時間Ｔ_t は、

【００３４】

【数１２】 となる。上記の瞬間回転数と時間Ｔとの関係を図４に示
す。

【００３５】なお、前記動作端からこの動作端の基準点
Ｏに対する対称点の動作端までの距離、即ち、両動作端
間の所要時間は、簡単な計算により、１．８３秒である
ことが確かめられる。

【００３６】次に、位置決め分解能について説明する。
前記減速比１／１５３で主動アーム６を５度回転させる
とき、モータ軸は、

【００３７】

【数１３】 だけ回転する。また、このモータの標準エンコーダ分解
能は、１５００ｐｐｒであるため、主動アーム６の５度
当りのパルス量は、１５００・２．１２＝３１８０（パ
ルス）である。なお、コンピュータで計算すると、０度
から５度までの１パルス当りの移動距離は、Ｌ＝３００
ｍｍの場合に、０．０１６ｍｍ、８５度から９０度まで
の１パルス当りの移動距離は、０．０００７ｍｍであ
る。以上の解析から、主動ベルト１６、従動ベルト１７
のバックラッシュを無視すると、系全体で、±０．０２
ｍｍの位置決め分解能がえられる。

【００３８】前記分解能の値を、Ｌ＝５００ｍｍの場合
に換算すると、０度から５度までの１パルス当りの移動
距離は、０．０２７ｍｍ、８５度から９０度までの１パ
ルス当りの移動距離は、０．００１ｍｍとなる。したが
って、上記実施例の位置決め分解能は、前記バックラッ
シュを加えて、０．０３ｍｍ／パルスから０．０５ｍｍ
／パルスと考えるのが適当である。これらの分解能は実
用的には充分である。

【００３９】（実施例２）図５は、本発明のハンドリン
グロボットの実施例２を示し、正面図である。この実施
例２が前記実施例１と異なる点は、実施例１では、水平
軸１０が主動アーム６に対して固定されており自発的に
は回転しなかったが、実施例２の水平軸１０は、自発的
に回転する。前記円盤９に接続筒１９がはめ込まれ、接
続筒１９に第３制御モータ２０が取りつけられている。
第３制御モータ２０の出力軸が前記水平軸１０に連結さ
れている。

【００４０】この実施例２では、第３制御モータ２０の
出力軸を自由にしておけば、実施例１のすべての前述の
動作と同じ動作をする。第３制御モータ２０を制御して
角度θ₁ だけ回転させると、水平軸１０を介して腕プー
リ１１が同角度回転し、また、従動ベルト１７を介して
手首プーリ１５が角度θ₁ ／２だけ回転する。したがっ
て、第３制御モータ２０を制御して用いれば、主動ベル
ト１６と従動ベルト１７の動作中に、換言すると、主動
アーム６と従動アーム１４との動作中に、把持部１８を
任意の角度回転させることができ、また、主動アーム６
と従動ベルト１７が停止した後で把持部１８を任意の角
度回転させることができる。

【００４１】例えば、図６に示すように、前記把持部１
８にハンド２１を取りつけ、このハンド２１を水平向き
に設定し、ハンド２１でワークＷをつかみ、少し後退さ
せてから、第３制御モータ２０の出力軸をπ回転させ
て、把持部１８を鉛直に向かせ、図５に示す旋回軸３を
１８０度旋回させて、または回転軸４を基台１の中心に
対して反対側へ回転させて、ハンド２１のつかみ力を解
除することによって、水平向きに置かれたワークＷを別
の位置に鉛直向きに転置することができる。

【００４２】（その他の実施例）以上に、本発明の実施
例のいくつかを説明したが、本発明は前記実施例に限ら
れることはなく、特許請求の範囲内で設計変更が行われ
る。たとえば、主動アーム６と従動アーム１４との運動
面は、工場のレイアウト、他の機械の配置に適応させ
て、鉛直面内に限られず水平面、任意の傾斜面内にする
ことができる。また、基台を移動台に取りつけ、移動台
の運動を把持部に付加することができる。

【００４３】把持部には、独立系を構成する各種ハンド
を交換自在に取り付けることができる。また、主プーリ
７、従プーリ１３、第３プーリ１１、第４プーリ１５
は、図に示したプーリに限られず、プーリとベルトの組
み合せで構成する電動伝達手段と同等手段として周知の
歯車組み合せ機構を構成する歯車、チェーン機構などに
代えることができる。または、図１に用いた減速機構付
モータを直接にドライブモータに変えることができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、動作のために必要な占
有面積が少なく制御系が簡単である直接移動のハンドリ
ングロボットが実現できた。また、駆動モータも最小限
の数で良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例１を示し、正面図であ
る

【図２】図２は、図１の側面図である。

【図３】図３は、実施例１の運動を解析するための解析
図である。

【図４】図４は、実施例１の運動を解析するための解析
図である。

【図５】図５は、本発明の実施例２を示し、正面図であ
る

【図６】図６は、本発明の実施例１の使用例を示し、正
面図である

【符号の説明】

１…基台 ２…旋回テーブル ３…旋回軸 ４…回転軸 ５…第２制御モータ ６…主動アーム ７…主プーリ １１…腕プーリ １３…従プーリ １４…従動アーム １５…手首プーリ １６…主動ベルト １７…従動ベルト １８…把持部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】支持台（１，３）と、 前記支持台（１，３）上で回転自在に設けられた回転軸
   （４）と、 前記回転軸（４）を回転駆動するための回転駆動手段
   （５）と、 前記回転軸（４）と一体的に回転する主動アーム（６）
   と、 前記主動アーム（６）の他端側に回転自在に結合され、
   かつ前記主動アーム（６）の回転半径と等しくした従動
   アーム（１４）と、 前記支持台（１，３）に対する前記主動アーム（６）の
   回転に連動させて前記従動アーム（１４）を前記主動ア
   ーム（６）に対して回転させるための第１連動手段
   （７，１６，１３）と、 前記主動アーム（６）に対する前記従動アーム（１４）
   の回転に連動させて前記従動アーム（１４）の他端の第
   ４回転体（１５）を回転させるための第２連動手段とか
   らなり、 前記第１連動手段（７，１６，１３）は、前記主動アー
   ム（６）に対し相対的に回転し前記支持台（１，３）に
   一体的に支持される第１回転体（７）と、前記従動アー
   ム（１４）に固定され前記従動アーム（１４）と同軸に
   回転する第２回転体（１３）と、前記第１回転体（７）
   と前記第２回転体（１３）との間を伝動する第１伝動手
   段とからなり、 前記第２連動手段は、前記主動アーム（６）に固定され
   前記従動アーム（１４）と同軸に回転する第３回転体
   （１１）と、前記第３回転体（１１）と前記従動アーム
   （１４）の他端の前記第４回転体（１５）との間を伝動
   する第２伝動手段とからなるハンドリングロボットであ
   って、 前記第１回転体（７）に対する前記主動アーム（６）角
   をθ₁ で表し、前記従動アーム（１４）の前記主動アー
   ム（６）に対する回転角をθ₂ で表すと、θ₂＝２θ₁
   となるように、前記第１伝動手段の回転を制御し、 前記第３回転体（１１）の前記従動アーム（１４）に対
   する回転角をθ₃ で表し、前記従動アーム（１４）の他
   端の前記第４回転体（１５）の回転角をθ₄ で表すと、
   θ₃ ＝２θ₄ となるように、前記第２伝動手段の回転を
   制御したことを特徴とするハンドリングロボットの制御
   方法。
2. 【請求項２】支持台（１，３）と、 前記支持台（１，３）上で回転自在に設けられた回転軸
   （４）と、 前記回転軸（４）を回転駆動するための回転駆動手段
   （５）と、 前記回転軸（４）と一体的に回転する主動アーム（６）
   と、 前記主動アーム（６）の他端側に回転自在に結合され、
   かつ前記主動アーム（６）の回転半径と等しくした従動
   アーム（１４）と、 前記回転軸（４）に対する前記主動アーム（６）の回転
   に連動させて前記従動アーム（１４）を前記主動アーム
   （６）に対して回転させるための第１連動手段（７，１
   ６，１３）と、 前記主動アーム（６）に対する前記従動アーム（１４）
   の回転に連動させて前記従動アーム（１４）の他端の第
   ４回転体（１５）を回転させるための第２連動手段とか
   らなり、 前記第１連動手段（７，１６，１３）は、前記主動アー
   ム（６）に対し相対的に回転し前記支持台（１，３）に
   一体的に支持される第１回転体（７）と、前記従動アー
   ム（１４）に固定され前記従動アーム（１４）と同軸に
   回転する第２回転体（１３）と、前記第１回転体（７）
   と前記第２回転体（１３）との間を伝動する第１伝動手
   段とからなり、 前記第２連動手段は、前記主動アーム（６）に固定され
   前記従動アーム（１４）と同軸に回転する第３回転体
   （１１）と、前記第３回転体（１１）と前記従動アーム
   （１４）の他端の前記第４回転体（１５）との間を伝動
   する第２伝動手段とからなり、 前記第１回転体（７）に対する前記主動アーム（６）の
   回転角をθ₁ で表し、前記従動アーム（１４）の前記主
   動アーム（６）に対する回転角をθ₂ で表すと、θ₂ ＝
   ２θ₁ となるように、前記第１伝動手段を形成し、 前記第３回転体（１１）の前記従動アーム（１４）に対
   する回転角をθ₃ で表し、前記従動アーム（１４）の他
   端の前記第４回転体（１５）の回転角をθ₄ で表すと、
   θ₃ ＝２θ₄ となるように、前記第２伝動手段を形成し
   たことを特徴とするハンドリングロボット。
3. 【請求項３】請求項２において、 前記第３回転体（１１）にモータ（２０）の出力軸を結
   合したハンドリングロボット。
4. 【請求項４】請求項２または３において、 前記回転軸（４）を回転自在に支持する旋回軸（３）を
   前記支持台（１，３）に設けたことを特徴とするハンド
   リングロボット。