JPH1158287A - ロボットのためのバランス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一の装置で、ロボットの各旋回腕の駆動軸
にかかる負荷重量の影響を相殺あるいは軽減することが
出来るバランス装置。 【解決手段】 バネ７の一端（先端側）６をロボットの
上腕４の先端付近または手首部５に取り付ける一方、他
端（基部側）８を天井１０に設けた取付部３０に取り付
ける。上腕４が下方（矢印Ａ）に振れるとバネ７が伸長
し、復元力Ｆが発生する。この復元力Ｆは、上腕４の先
端部を上方へ引き上げるように作用し、上腕４及び下腕
３の駆動軸にかかる負荷重量由来のモーメントを相殺・
軽減する。取付部３０を可動に設置することも出来る。
また、バネに代えてエアシリンダ等を用いても良い。バ
ランス力発生機構の基部側の端部の取付部は、天井１０
以外の構造物、例えば、ロボットの第２軸取付ベース２
に取り付けた支柱、あるいは鉛直壁面、傾斜壁面などに
対して設けても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は産業用ロボットの負
荷を軽減乃至除去するために使用されるバランス装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボット（以下、単に「ロボッ
ト」と言う。）がアームを側方へ延ばした姿勢をとる
時、そのアームの駆動軸並びにそれよりベース側の駆動
軸には大きな重力負荷がかかる。このような負荷を軽減
する手段としてバランサが使用されている。ロボットに
使用されるバランサは、当然、重力負荷の増大を伴う姿
勢変化に応じてそれを打ち消す方向のバランス力を発生
するバランス力発生機構を備えていなければならない。

【０００３】ロボットにかかる重力負荷を打ち消すため
のバランス力発生機構としては、一般に、アーム旋回に
応じて伸縮するコイルバネあるいはエアシリンダを用い
た機構などが利用されている。そして、これらバランス
力発生機構を重力による負荷を打ち消す必要のあるアー
ム毎に設けることで、それらアームの駆動軸にかかる重
力負荷を除去乃至軽減している。

【０００４】従って、１基のロボットについて必要なバ
ランス力発生機構の数は、重力による負荷を打ち消す必
要のあるアームと同数となる。また、機構各部（コイル
バネ、エアシリンダ等）は、ロボット自身のアームある
いはその周辺のロボット機体上に取り付けることにな
る。

【０００５】そのため、バランス装置を装備したロボッ
トは、機体と外装構造が複雑で大型となり易く、ロボッ
ト機体構造の簡素化、小型化を困難にし、ロボットの低
価格化の阻害要因となっていた。

【０００６】高性能のアクチュエータ（アーム駆動モー
タ）を使用すれば、バランス装置の使用数の削減あるい
は不使用とすることも可能であるが、そのような高性能
のアクチュエータは当然高価であり、コスト高の問題は
解決出来ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的
は、バランス力発生機構を重力による負荷を打ち消す必
要のあるアーム毎に設ける必要がなく、ロボットの機体
や外装の複雑化、大型化を避けることが出来るロボット
用のバランス装置を提供することにある。本発明はま
た、そのことを通してロボットの低価格化の阻害要因を
除去しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ロボットの最
も手先側のアーム及びそれより更に手先側の部分を上方
へ吊り上げるようなバランス力を発生するバランス力発
生機構を、下腕、上腕等のアームにかかる重力負荷を軽
減乃至相殺出来るように配備したバランス装置によって
上記技術課題を解決したものである。

【０００９】本発明に従えば、バランス装置のバランス
力発生機構の先端は、ロボットの最も手先側のアーム及
びそれより更に手先側の部分に取り付けられる一方、他
端はロボットの外部の支持体あるいはベース上に設置さ
れた支持体に、固定的あるいは可動な態様で取り付けら
れる。

【００１０】そして、バランス力発生機構の先端と他端
の間には、ロボット側に取り付けられた先端が下方に移
動した時にこれを阻止しようとする復元力を生成する復
元力生成要素が設けられ、この復元力に由来してバラン
ス力が発生するようになっている。

【００１１】外部の支持体としては、例えばロボットの
上方に位置する天井またはそれに固定された部材を用い
ることが出来る。また、バランス力発生機構の復元力生
成要素としては、バネ、あるいは空気その他の流体を用
いた流体圧シリンダ機構を採用することが出来る。

【００１２】本発明をいずれの形態で実施した場合も、
ロボットの上腕先端付近あるいは手首部のように、それ
より先端側（エンドエフェクタ側）に旋回腕が無い位置
を作用点としてバランス力が作用し、その反力に由来す
る負担が各旋回腕の駆動軸にかからない。従って、単一
の装置で、各旋回腕の駆動軸にかかる負荷重量の影響を
相殺あるいは軽減することが出来る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図６を参照して、い
くつかの実施形態（第１実施形態〜第６実施形態）につ
いて説明する。図１、図２・・・図６は、各々第１実施
形態、第２実施形態・・・第６実施形態の概要を説明す
る図である。なお、各実施形態において、バランス装置
が装備されるロボットは同型の標準的な垂直多関節ロボ
ットである。

【００１４】即ち、各実施形態におけるロボットは正面
図で描かれており、符号１はロボットの据え付けベース
で床面Ｇ上に固定されている。据え付けベース１上に、
第１軸Ｊ１の旋回胴を兼ねる第２軸Ｊ２の取付ベース２
が搭載され、第２軸取付ベース２上には、第２軸Ｊ２で
前後に旋回駆動される下腕（第１アーム）３を旋回させ
るための第２軸機構部が設置されている。

【００１５】そして、下腕（第１アーム）３の先端部に
は、最先端アームとしての上腕（第２アーム）４を旋回
させための第３軸Ｊ３の機構部が設けられ、上腕４の先
端には適宜数の軸（典型的には３軸）を持つ手首部５が
設けられている。なお、図示は省略したが、手首部５の
先端には必要に応じて各種のエンドエフェクタ（負荷重
量物）が取り付けられる。各実施形態で本ロボットに装
備されるバランス装置の構成及び機能は次の通りであ
る。

【００１６】［第１実施形態］図１に示したように、バ
ネ７の一端（先端側）６をロボットの最先端アームであ
る上腕４の先端付近に取り付ける一方、他端（基部側）
８を天井（またはそれに固定された梁など）１０に設け
た取付部３０に取り付ける。図示された状態から、ロボ
ットの上腕４（及び手首部５）が下方（矢印Ａ参照）に
振れると、バネ７が伸長し、復元力Ｆが発生する。この
復元力Ｆは、当然、ロボットの上腕４の先端部を上方へ
引き上げるように作用する。即ち、上腕４の先端付近を
作用点として、負荷重量を相殺する方向に作用するバラ
ンス力が形成される。

【００１７】ここで注目すべきことは、バネ７を含むバ
ランス力発生機構の基部側がロボットの外部である天井
１０に接続されているため、バランス力Ｆの反力ｆ（一
般に、Ｆと同じ大きさで向きは反対）が、ロボットのい
かなる部分に作用しない点である。この事は、上腕４の
先端部を上方へ引き上げるように作用するバランス力Ｆ
によって、上腕４を駆動する軸（Ｊ３）にかかる重力負
荷のみならず、前後動する下腕３を駆動する軸（Ｊ２）
にかかる重力負荷をも軽減されるということを意味する
（従来のバランサのように、バランス力発生機構を下腕
３、上腕４間に設けた場合との相違点）。

【００１８】なお、図１においては、取付部３０は天井
１０の適所（上腕４の先端部の真上付近）に固定されて
いるが、これを例えば図７に示したような可動機構とし
て設けることも出来る。図７において、符号３１、３２
は紙面に垂直方向に延在するようにガイドレール３３、
３４を設けるためのレール設置部材で、ガイドレール３
３、３４には走行ブリッジ３５が掛け渡される。従っ
て、走行ブリッジ３５はガイドレール３３、３４上を紙
面に垂直方向に自在に走行出来る。

【００１９】走行ブリッジ３５には、紙面に左右方向に
別のガイドレール３６が設けられており、バネあるいは
シリンダ（後述実施形態参照）の一端側を接続したキャ
リア３７がガイドされている。このような機構により、
ロボットの姿勢変化（特にＪ１軸の旋回）により復元力
Ｆ（バランス力）の反力ｆの方向が傾くと、この傾斜を
解消しようとする方向にキャリア３７が２次元的に（紙
面に垂直方向と左右方向）に移動し、反力ｆの作用方向
を鉛直下向き、従って、バランス力Ｆの作用方向を鉛直
上向きに保つ。

【００２０】［第２実施形態］図２に示したように、本
実施形態も第１実施形態と同じく、天井３０に設けた取
付部３０からバネ７を吊り下げ、バネ７の伸長時の復元
力をバランス力として利用するものである。本実施形態
が第１実施形態と異なっているのは、バネ７の先端１６
の取付位置が手首部５となっている点のみである。

【００２１】従ってバランス力の作用点が上腕４より更
に手先側へ移った点を除けば、その作用も第１実施形態
と同様である。即ち、図示された状態からロボットの上
腕４（及び手首部５）が下方（矢印Ａ参照）に振れる
と、バネ７が伸長し、復元力Ｆが発生する。この復元力
Ｆは、当然、ロボットの手首部５を上方へ引き上げるよ
うに作用する。即ち、手首部上の取付部１６を作用点と
して、負荷重量を相殺する方向に作用するバランス力が
形成される。

【００２２】この場合、第１実施形態で説明したと同様
の理由で、手首部５を上方へ引き上げるように作用する
バランス力Ｆによって、手首軸や上腕４を駆動する軸
（Ｊ３）にかかる重力負荷のみならず、前後動する下腕
３を駆動する軸（Ｊ２）にかかる重力負荷をも軽減され
るということを意味する。なお、固定された取付部３０
に代えて、例えば図７に示したような可動機構を採用し
得ることも、第１実施形態と同様である。

【００２３】［第３実施形態］本実施形態では、図３に
示したように、ロボットのベース２の適所に固定され、
上方に延びる支柱２０を取り付け、支柱２０から水平延
在部２１を延ばす。そして、取付部４０に一端（基部
側）１８を取り付けたバネ７を水平延在部２１に沿わ
せ、プーリ２２で下方に方向転換させて先端６をロボッ
トの上腕４の先端付近に取り付ける。本実施形態のバラ
ンス装置の作用は、第１実施形態と同様である。

【００２４】即ち、図示された状態から、ロボットの上
腕４（及び手首部５）が下方（矢印Ａ参照）に振れる
と、バネ７が伸長して復元力Ｆが発生し、プーリ２２で
方向転換され、上腕４の先端付近を上方へ引き上げるバ
ランス力となる。

【００２５】この場合、バネ７を含むバランス力発生機
構の基部側はロボットのベース２に接続されている。そ
のため、バランス力Ｆの反力は最終的には、ロボットの
外部の構造物ではではなく、ロボットのベース２にかか
ってくる。ベース２にかかるモーメントや力は、上腕４
を駆動する軸（Ｊ３）や下腕３を駆動する軸（Ｊ２）に
かかる負荷に影響しない。

【００２６】結局、本実施形態の場合も、上腕４の先端
部を上方へ引き上げるように作用するバランス力Ｆによ
って、上腕４、下腕３の双方の駆動軸（Ｊ２軸とＪ３
軸）にかかる重力負荷が軽減されることになる。

【００２７】なお、ロボットのベース２は旋回胴を形成
する部分であり、バランス力Ｆの反力に由来するモーメ
ントや力（押圧力または張力）がかかってもそれが旋回
胴の駆動軸（Ｊ１軸）の負担になることは殆んどない。
無論、撓みは発生するが、一般にロボットのベース２は
頑丈に出来ているから特に大きな問題は生じない。

【００２８】［第４実施形態］図４に示した通り、本実
施形態は、バネ７の先端１６の取付位置が手首部５とな
っている点を除けば、第３実施形態と同じ構成を有して
いる（繰り返し説明は省略）。従ってその作用について
も、バランス力の作用点が異なる以外、第３実施形態と
特に異なる点はない。

【００２９】即ち、ロボットの上腕４（及び手首部５）
が、下方（矢印Ａ参照）に振れると、バネ７が伸長して
復元力Ｆが発生し、プーリ２２で方向転換され、上腕４
の先端付近を上方へ引き上げるバランス力となる。

【００３０】この場合も、第３実施形態で説明したと同
様の理由で、手首部５を上方へ引き上げるように作用す
るバランス力Ｆによって、手首軸や上腕４を駆動する軸
（Ｊ３）にかかる重力負荷のみならず、前後動する下腕
３を駆動する軸（Ｊ２）にかかる重力負荷も軽減され
る。

【００３１】［第５実施形態］本実施形態は、バランス
力発生機構にバネに代えてエアシリンダを利用した例
で、全体構成は第１実施形態に類似している。即ち、図
５に示したように、本実施形態では、天井３０に設けた
取付部３０からエアシリンダ５０を吊り下げ、エアシリ
ンダ５０の伸長時の復元力をバランス力として利用する
ものである。

【００３２】より具体的に言えば、エアシリンダ５０の
ピストン５１を牽引する線条部材５２の端部（エアシリ
ンダ機構の先端）５６をロボットの上腕４の先端付近に
取り付ける一方、他端（基部側）５８を天井１０に設け
た取付部３０に取り付ける。

【００３３】ロボットの上腕４（及び手首部５）が下方
（矢印Ａ参照）に振れると、エアシリンダ５０が伸長
し、復元力Ｆが発生する。この復元力Ｆは、当然、ロボ
ットの上腕４の先端部を上方へ引き上げるように作用す
る。即ち、上腕４の先端付近を作用点として、負荷重量
を相殺する方向に作用するバランス力が形成される。

【００３４】本実施形態においても、エアシリンダ５０
を含むバランス力発生機構の基部側がロボットの外部で
ある天井１０に接続されているため、バランス力Ｆの反
力は、ロボットのいかなる部分に作用しない。従って、
上腕４の先端部を上方へ引き上げるように作用するバラ
ンス力Ｆによって、上腕４を駆動する軸（Ｊ３）にかか
る重力負荷のみならず、前後動する下腕３を駆動する軸
（Ｊ２）にかかる重力負荷をも軽減される。また、固定
された取付部３０に代えて、例えば図７に示したような
可動機構を採用し得ることも、第１実施形態と同様であ
る。

【００３５】［第６実施形態］本実施形態も、バランス
力発生機構としてエアシリンダを利用した例であるが、
全体構成は第３実施形態に類似している。即ち、図６に
示したように、ロボットのベース２の適所に上方に延び
る支柱２０を取り付け、支柱２０から水平延在部２１を
延ばす。そして、取付部４０に一端（基部側）５８を取
り付けたエアシリンダ５０を水平延在部２１に沿わせて
配置する。エアシリンダ５０のピストン５１を牽引する
線条部材５２をプーリ２２を用いて下方に方向転換さ
せ、その端部（エアシリンダ機構の先端）５６をロボッ
トの上腕４の先端付近に取り付ける。 本実施形態にお
いても、ロボットの上腕４（及び手首部５）が下方（矢
印Ａ参照）に振れると、エアシリンダ５０が伸長し、復
元力Ｆが発生する。この復元力Ｆは、当然、プーリ２２
で下向きに方向転換されている線条部材５２に張力を生
み、上腕４を上方へ引き上げるように作用する。このよ
うにして、エアシリンダ５０の復元力Ｆに由来するバラ
ンス力が、取付部５６を作用点として働き、負荷重量を
相殺あるいは軽減する。

【００３６】この場合も、エアシリンダ５０を含むバラ
ンス力発生機構の基部側はロボットのベース２に接続さ
れているから、バランス力Ｆの反力は最終的には、ロボ
ットの外部の構造物ではではなく、ロボットのベース２
にかかり、上腕４を駆動する軸（Ｊ３）や下腕３を駆動
する軸（Ｊ２）にかかる負荷に影響しない。

【００３７】従って、本実施形態の場合も、上腕４の先
端部を上方へ引き上げるように作用するバランス力Ｆに
よって、上腕４、下腕３の双方の駆動軸（Ｊ２軸とＪ３
軸）にかかる重力負荷が軽減されることになる。

【００３８】以上６個の実施形態について説明したが、
本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、例
えば次のような変形が可能である。 （１）第３、第４、第６各実施形態で用いられている支
柱２０に代えて、ロボット外部の構造物の壁面（鉛直壁
面、傾斜壁面など）を利用し、これにバネ、エアシリン
ダ等を含むバランス力発生機構の基部側を取り付ける。
この場合、水平延在部２１はその壁面に取り付ける（既
存の構造物で代用しても良い）。

【００３９】（２）第３、第４、第５、第６各実施形態
におけるバランス力発生機構の先端取付部６、５６を上
腕４の先端付近ではなく、第２実施形態のように、手首
部５上にもって来る。

【００４０】（３）エアシリンダに代えて油圧シリンダ
など、他種の流体を利用した復元力発生機構を利用した
バランス力発生機構を採用する。

【００４１】（４）バネとエアシリンダの直列接続等、
複数の復元力発生要素を利用したバランス力発生機構を
採用する。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、ロボットの上腕先端付
近あるいは手首部のように、それより末端側（エンドエ
フェクタ側）に旋回腕が無い位置を作用点としてバラン
ス力が作用し、その反力に由来する負担が各旋回腕の駆
動軸にかからない。従って、単一の装置で、各旋回腕の
駆動軸にかかる負荷重量の影響を相殺あるいは軽減する
ことが出来る。

【００４３】また、そのことを通して、ロボットの機体
や外装の複雑化、大型化を避け、ロボットの低価格化に
寄与出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態について説明する図で
ある。

【図２】本発明の第２の実施形態について説明する図で
ある。

【図３】本発明の第３の実施形態について説明する図で
ある。

【図４】本発明の第４の実施形態について説明する図で
ある。

【図５】本発明の第５の実施形態について説明する図で
ある。

【図６】本発明の第６の実施形態について説明する図で
ある。

【図７】バランス力発生機構の基部側の取付部を可動に
構成した例について説明する図である。

【符号の説明】

１ 据え付けベース ２ 第２軸取付ベース ３ 下腕（前後動する第１アーム） ４ 上腕（第２アーム） ５ 手首部 ６、１６ バネ先端側の取付部 ７ バネ ２０ 支柱 ２１ 水平延在部 ２２ プーリ ３０、４０ バネまたはエアシリンダの基部側の取付部 ３１、３２、３６ レール設置部材 ３３、３４ ガイドレール ３５ 走行ブリッジ ３７ キャリア ５０ エアシリンダ Ｇ 床面 ５１ ピストン ５２ 線条部材 ５６ エアシリンダ機構の先端側の取付部 ５８ エアシリンダ機構の基部側の取付部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットの最も手先側のアーム及びそれ
   より更に手先側の部分を上方へ吊り上げるようなバラン
   ス力を発生するバランス力発生機構を備えた、ロボット
   のためのバランス装置であって、 前記バランス力発生機構の先端は、前記最も手先側のア
   ーム及びそれより更に手先側の部分に取り付けられてお
   り、 前記バランス力発生機構の他端は、前記ロボットの外部
   の支持体に取り付けられており、 前記バランス力発生機構の前記先端と前記他端の間に
   は、前記先端が下方に移動した時にこれを阻止しようと
   する復元力を生成する復元力生成要素が設けられてお
   り、この復元力に由来して前記バランス力が発生するよ
   うになっている、前記バランス装置。
2. 【請求項２】 前記外部の支持体は前記ロボットの上方
   に位置する天井またはそれに固定された部材である、請
   求項１に記載されたバランス装置。
3. 【請求項３】 前記バランス力発生機構の他端の前記外
   部の支持体への取付は、前記他端を可動に支持する機構
   を介してなされている、請求項１または請求項２に記載
   されたバランス装置。
4. 【請求項４】 ロボットの最も手先側のアーム及びそれ
   より更に手先側の部分を上方へ吊り上げるようなバラン
   ス力を発生するバランス力発生機構を備えた、ロボット
   のためのバランス装置であって、 前記バランス力発生機構の先端は、前記最も手先側のア
   ーム及びそれより更に手先側の部分に取り付けられてお
   り、 前記バランス力発生機構の他端は、前記ロボットのベー
   ス上に設置された支持体に取り付けられており、 前記バランス力発生機構の前記先端と前記他端の間に
   は、前記先端が下方に移動した時にこれを阻止しようと
   する復元力を生成する復元力生成要素が設けられてお
   り、この復元力に由来して前記バランス力が発生するよ
   うになっている、前記バランス装置。
5. 【請求項５】 前記バランス力発生機構が前記復元力生
   成要素としてバネを備えている、請求項１〜請求項４の
   いずれか１項に記載されたバランス装置。
6. 【請求項６】 前記バランス力発生機構が前記復元力生
   成要素として流体圧シリンダ機構を備えている、請求項
   １〜請求項４のいずれか１項に記載されたバランス装
   置。