JPS62173188A

JPS62173188A - マニピユレ−タ

Info

Publication number: JPS62173188A
Application number: JP62009166A
Authority: JP
Inventors: マリヌス・ピエテル・コステル; ヘンリクス・ヨハネス・ヨセフ・ボウエンス; アントン・アドリアン・ヨハン・ファン・タルトウィエク; ウイレム・ロウイス・ヘルマイン・デ・ペウテル
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1986-01-23
Filing date: 1987-01-20
Publication date: 1987-07-30
Also published as: US4874286A; EP0232930A1; NL8600143A; DE3788234D1; DE3788234T2; JPH09364U; EP0232930B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明はロッド機構によって変位自在の端作動具をもち
、前記ロッド機構は４個の変位自在のアームをもち、そ
のうちの２個のアームは２個のアームの各々用の個別の
駆動装置によって主軸線の回りに回動でき、前記主軸線
はロッド機構の４個のアームのうちの少なくとも２個の
アームの変位が行われる平面に対して直角に延在してい
る如きマニピュレータに関するものである。

ジョン・ハートレイ著“日本におけるフレキシブルオー
トメーション”１９８４年発行、７４〜７５頁、ｌ５Ｂ
Ｎ３−５４０−１３４９９−９、及び日本草加市在のペ
ンチル・コンパニー・リミテッド、１９８２年発行のパ
ンツレフト、カタログ＆　Ｌ　’　８２−１０−３−０
００＋から既知の上記の種類のマニピュレータ（ロボッ
ト）においては、比較的長いいわゆる後アームと、比較
的短いいわゆる前アームを成すロッド機構の部分は個々
のモータによって駆動され、そのモータの位置は端作動
具に面する垂直コラムの側に常にある。このコラムの中
心軸線はマニピュレータの前記主軸線を成す。バナナ形
の作業スペース全体がおおわれるようにするためには、
二個の順次に又は同時に付勢できる直流モータは不同の
角速度で駆動される必要がある。一方のモータは後アー
ムの絶対回転用のみに使用し、他方のモータは後アーム
に対して前アームを相対回転させるためのみに使う。

既知のマニピュレータでは、ロッド機構、モータ、モー
タを下げるためのヨーク、端作動具及び負荷の全質量が
片側からコラムに作用するため、コラムは比較的大きな
曲げモーメントを及ぼされるために比較的重量のある構
造としなければならない。更に後アームに連結されたモ
ータの電力は、ロッド機構、モータ端作動具、モータを
下げるためのヨーク及び負荷の全質量が変位するため比
較的高くなければならない。最後に、所要の運動に必要
とされるコンピュータプログラムは比較的複雑になる。

これは端作動具の位置決めのために円柱座標を使用でき
ないからである。

本発明の目的は、質量分布が最適であり、モータ電力が
比較的低く、しかも円柱座標に基づく制御プログラムを
使用できるマニピュレータを提供することにある。

この目的を達成するため本発明はマニピュレータが前記
主軸線に対して直角をなす横断面において環状を成す作
業スペースをもち、前記主軸線の回りに回動する２個の
アームは同じ長さをもち、これらの２個のアーム用の同
時に作動せしめられる個々の駆動装置は１つの作動駆動
装置に統合されていると共に、主軸線の回りの前記２個
のアームの等しい反対向きの角速度で主軸線に対する端
作動具の径方向の変位を生ぜしめかつ主軸線の回りの同
じ方向における２個のアームの等しい角速度で主軸線の
回りの端作動具の円形変位を生ぜしめるよう構成した点
に特徴を有する。

ロッド機構を全体で２πラジアン（時計方向のπラジア
ンと反時計方向のπラジアンの合計）にわたり主軸線の
回りに回動させ、従って駆動装置に必要な結線によって
妨げられずに管状の作業スペースを使用できるマニピュ
レータの一実施例は、等しい長さの２個の駆動されるア
ームの各々が個々の電気モータに固定され、前記モータ
は主軸線の回りを回動できると共に、固定配置した歯付
リングにピニオンを介して連結し、前記歯付リングの軸
線は主軸線と一致する点に特徴を有する。

ロッド機構に対する端作動具の回転又は直線運動を、必
要な駆動機構が作業者に危険を及ぼすことなく、簡単な
方法で得ることのできるマニピュレータの他の実施例は
、主軸線の近くにある等しい長さの２個のアームのうち
の少な（とも１つのアームには電気モータを固定してお
り、このモータの出力シャフトは第一の管状アーム内に
配置した第一の歯付ヘルドと第二の管状アーム内に配置
した第二の歯付ベルトを介して端作動具に連結しており
、前記第一管状アームは旋回シャフトによって第二管状
アームに対して回動でき、前記旋回シャフトの軸線は主
軸線と平行であり、第一歯付ベルトと第二歯付ベルトの
動きを連動させるために第一プーリと第二プーリを前記
旋回シャフト上に固定した点に特徴を有する。

比較的簡単に制御できると共に外乱に対して鈍感なマニ
ピュレータの他の実施例は、差動駆動装置が同じ電気的
機械的動力をもつ二個の同時に制御可能の電気モータか
ら成り、一方のモータは主軸線近くにあるロッド機構の
１つのアームに機械的に連結され、主軸線近くにあるロ
ッド機構の他方のアームは他方のモータに機械的に連結
される点に特徴を有する。

比較的簡単な、安価な差動駆動装置をもったマニピュレ
ータは、両モータを同じ直流モータとし、これらのモー
タは同じ切換スイッチを介して同じ電流源から給電され
、端作動具の角度変位のために、切換スイッチの異なっ
た極性の位置において両モータは反対向きに付勢される
が、端作動具の径方向の変位のために、切換スイッチの
等しい極性の位置において両モータは同じ向きに付勢さ
れる点に特徴を有する。

以下、本発明を図について説明する。

第１図に示すマニピュレータは垂直支持コラムｌをもち
、このコラムの中心線は垂直主軸線３を成す。コラムｌ
のもつ台５によってマニピュレータは第１図に示してい
ない普通の支持材に固定される。コラムｌに主軸線３に
対して直角を成す水平面内に固定配置した第一の歯付リ
ング７を固着している。第一の歯付リング７の下に成る
一定距離をおいて第二の固定した歯付リング９をコラム
１に固定する。歯付リング９は歯付リング７と同形とし
、主軸線３に対して直角を成した水平面内に位置する。

マニピュレータはロッド機構をもち、この機構は管状ア
ーム１１．１３．１５．１７の形状の４個の回動自在の
ロッドから構成する（第２図も参照）。アーム１３は垂
直の回動軸線１９の回りにアーム１１に対して回動し、
アーム１１は後述する方法で主軸線３の回りに回動する
。またアーム１７は垂直回動軸線２１の回りにアーム１
５に対して回動し、アーム１５は後述する方法で主軸線
３の回りに回動する。アーム１３は垂直回動輪線２３の
回りにアーム１７に対して回動する。４個のアーム１１
．１３．１５．１７から成るロード機構のうちアーム１
１と１５（後アーム）は同じ長さをもち、比較的長いア
ーム１３と１７（前アーム）より短い。これらの長い方
のアニムもまた同じ長さをもつ。水平面内にあると共に
主軸線３に対して径方向にあるロッド機構の対角線２５
は点Ｐにおいて主軸線３と交差する。すべてのアーム１
１．１３．１５．１７は主軸線３と直角を成す水平面内
にあって、移動できる。第１図に示す端作動具２７（例
えばグリップ）はアーム１３．１７から下がる。端作動
具２７は回動軸線２３の回りに回動（φ）し、後述する
方法で主軸線３に対して平行なアーム１３．１７に対し
て垂直（Ｚ）に変位する。

アーム１１は機械的電動装置３１をもつ直流モータ２９
を固着されており、この電動装置のピニオン３３は固定
した歯付リング７と噛合う。アーム１５には機械的電動
装置３７をもつ直流モータ３５を固着しており、この電
動装置３７のピニオン３９は固定した歯付リング９と噛
合う。モータ２９と３５は同形であり、機械的伝動装置
３１と３７、ピニオン３３と３９も同形である。アーム
１１はこれに固定した管形のプラノトフオーム４４によ
って回転し、コラム１と主軸線３の回りに玉軸受４０．
４２によって支持される（第３図参照）。モータ２９は
プラントフオーム４４上に設ける。モータ３５は主軸線
３の回りにモータ２９と同様に回動する。第３図に示す
ように、機械的電動装置４３をもつ電気モータ４１がア
ーム１１に固定される。モータ４１は、質量慣性とコラ
ム１に加わる曲げモーメントを減らすためにできるだけ
主軸線３に接近させて配置する。ロッド機構は第２図の
位置に対して角度αだけ円形経路に沿って第３図におい
て回動する（第２図参照）。伝動装置４３は駆動シャフ
ト４７をもち、このシャフトは玉軸受４５によってアー
ム１１に軸支され、このシャフトに歯付プーリ４９を固
定する。第一歯付ベルト５１はプーリ４９を歯付プーリ
５３に連結し、このプーリ５３は中空の旋回シャフト５
５上に固着し、このシャフト５５は夫々玉軸受５７．５
９と玉軸受６１．６３によってアーム１１と１３に回動
自在に軸支する。旋回シャフト５５に固定した他の歯付
プーリ６５は第二の歯付ベルト６７によって歯付プーリ
６９に連結する（第４図参照）。

従って旋回シャフト５５は一方ではアーム１１と１３間
の回動自在の連結部として、他方では第一歯付ヘルド５
１と第二歯付ベルト６７間の連結部として作用する。第
二歯付ベルト６７は歯付ブー！Ｊ６９と噛合い、このプ
ーリ６９は玉軸受７１と７３によって支持され、ナツト
７５と一緒にプーリ６９は軸線２３の回りにアーム１３
に対して回転する（第４図参照）。玉軸受７１と７３は
アーム１３に支持される。内ねじ山７７によってナツト
７５は外ねじ山付の中空ロッド７９と噛合い、このロッ
ド７９は回動軸線２３に沿って軸線方向に直線移動する
。ロッド７９の直線移動中ナツト７５は垂直方向に動か
ない。このためモータ４１は端作動具２７を回動軸線２
３に沿うて直線移動させる。前記端作動具はロッドア９
に固定している。

第２図に示すように、アーム１５上に固定した電気モー
タ８１（第１図参照）は、電気モータ４１を歯付プーリ
６９に連結した方法と同じ方法で２個の歯付ベルトによ
って歯付プーリ８３に連結する。このために用いる２個
の歯付ベルトのうちの１個即ち歯付ベルト８２を第４図
に示す。軸線２３の回りでアーム１７に対して回転する
ようスリーブ９１は玉軸受８５と８７によってプーリ８
３と共に支持される。スリーブ９１は３個のローラを内
部に備えるが、第４図にはそのうちの１個のローラ９３
のみを示す。ローラ９３は中空ロッド７９の壁の長手方
向のみぞ９５に掛合する。回動輪線２３と直角をなす横
断面９７で示すように、ロッド７９の壁は２個の他の長
手方向のみぞ９９と１０１をもち、これらのみぞにはス
リーブ９１上の他の２個のローラ（図示せず）が掛合す
る。

回動軸線２３の回りにプーリ８３が回転すると、回転運
動がローラ９３と図示していない２個のローラを介して
スリーブ９１によってロッド７９とこれに固定した端作
動具２７に伝えられる。ロッド７９の回転によってナツ
ト７５が軸線方向に動くのを防止するために、モータ８
１を付勢したときモータ４１も付勢されて、ナツト７５
に固定したプーリ６９が歯付ベルト５１と６７によって
回転せしめられる。端作動具２７の直線移動はこの端作
動具の回転運動とは無関係である。アーム１３は玉軸受
８９．９０によってアーム１７に対して回転する。

第２図に矢印で示す端作動具２７のいわゆるＲ（径方向
）変位とθ（角度）変化は差動駆動装置によって起こさ
れる。この駆動装置は特にモータ２９、３５と共に前述
した（電気）機械的部品のほかに、第５図に示す制御回
路の形をなす電気部品を含む。モータ２９．３５．４１
．８１へ電力供給する配線は主としてコラム１内に置く
が、簡単化のためこれは第１〜３図には図示していない
。配線はモータ２９．４１用のケーブルハーネス１０３
と、モータ３５゜８１用のケープルバー　ネス１０５を
もつ。ケーブルハーネス１０３と１０５はカバー１１１
の開口１０７を通ってコラム１から出てくる。このカバ
ーは玉軸受１０９（第１〜３図参照）によってコラム１
に対して回転する。ケーブルハーネス１０３はモータ２
９用の結線１１３とモータ４１用の結線１１５をもつ。

モータ３５と８１用の結線は同じ構成とする。モータ結
線を上記のように配置することによって、ロッド機構は
電気結線によって妨害されずに時計方向と反時計方向に
πラジアンの角度にわたり変位することができる。これ
らの結線は更にコラム１中の大部分と管状アーム１１．
１５のために配置されている。モータ２９．３５はアー
ム１１．１５上に設けられていて、ピニオン３３．３９
が互いに向合い、モータの同じ極性を付勢するとこれら
のアームが端作動具２７を径方向に変位させるためお互
いに近づいたり離れたりする。端作動具２７の円形変位
はモータ２９．３５の異なった極性を付勢することによ
り得られる。

モータ２９．３５用の第５図に示す制御回路は直流電源
１１７をもち、この電源は主スィッチ１１９と２個の二
極切換スイッチ１２１　と１２３を経てモータ２９と３
５へ接続できる。モータ２９は角度センサー１２５を介
して比較器１２７に接続し、モータ３５は角度センサー
１２９を介して比較器１３１に接続する。プロセス制御
器１３３を介して比較器１２７は前記切換スイッチ１２
１に連結する。同様にして比較器１３１はプロセス制御
器１３７を介して二極切換スイッチ１２３に接続する。

モータ２９用の基準値ＲＥＦ２９を比較器１２７に供給
し、モータ３５用の基準値ＲＥＦ３５を比較器１３１に
供給する。基準値ＲＥＦ２９とＲＥＦ３５は径方向（Ｒ
）と円方向（θ）の端作動具２７の所望位置を決める。

モータ４１（Ｚ方向）と８１　（、φ方向）用の同様の
制御回路は簡略化のため説明を省く。

比較器１２７と１３１に供給される基準値ＲＩＥＦ２９
とＲＥＦ３５の記号（正又は負）はスイッチ１２１　と
１２３の位置を、従っでモータ２９と３５の回転方向を
決める。基準値ＲＥＦ２９とＲＥＦ３５の絶対値はあら
ゆる状況下において等しい。簡略化のため角度センサー
１２５と１２９の信号を変換する普通のデータプロセス
は第５図には示さない。

電気モータ２９．３５．４１．８１の代わりに、空気式
又は液圧式モータを使ってもよい。モータ４１．８１は
、もし簡単な使用のために端作動具のＺ及び／又はφ移
動を必要としなければ、省略してもよい。

ロッド機構は平行四辺形リンク機構として構成し、その
すべてのアーム１１．１３．１５．１７は同じ長さをも
つ。Ｚ軸方向の追加の変位は便利な手段によって例えば
他のコラムによって垂直方向に変位するようコラム１を
配置することによって可能となる。

コラム１は前記他のコラムに沿って入れ子穴に変位自在
とする。上記マニピュレータは頭上の支持材から下げら
れる。上記説明では作業スペースは常に環状（横断面に
おいて）又は管状と仮定したが、これはリング又は管の
一区分から成るものとしてもよい。従って“環状”又は
“管状”という言葉は本文中においては広い意味に解釈
するものとする。作業スペースの形状に因り、マニピュ
レータの向きはもはやその周囲状況には無関係となり、
マニピュレータの据付けの自由度は大きい。

マニピュレータはモータ４１．８１をアーム１１．１５
上にコラム１の近くで固着することによってコラムｌに
対する質量分布を最適となした特定の実施例につき説明
したが、モータ４１．８１は端作動具２７の上方でアー
ム１３．１５の端に配置してもよい。しかしその場合に
は重量分布はあまり有利にならない。

前記モータ配置はマニピュレータの質量慣性モーメント
を比較的小さくする。ロッド機構は二重構造を成すため
剛性が比較的高い。特にこの二重ロッド機構をもつため
捩じり剛性が比較的高い。このマニピュレータは、アー
ムの回転角度が比較的大きいにも拘らず、配線は大部分
が内部に配置されるため比較的安全である。この実施例
の場合、θ（円形）運動のためのアーム１１と１５の回
転角度は時計方向と反時計方向においてπラジアンに等
しく、Ｒ−（径方向）運動のための前記角度は士−ラジ
アンに等しい。θ−運動においてはコラム１中の配線は
±πラジアンにわたり回転し、カバー１１１を一緒に連
れて行く　（第３図参照）そのとき配線はコラム１内で
捩じられる。歯付リング７と９はコラム１に対して回転
するよう配置する。この場合、アーム１１．１５は歯付
リング７゜９に固定し、モータ２９と３５はコラム１に
固着して、固定状に配置する。しかしアーム１１．１５
の回転角度は配線のためにそれ程大きくすることはでき
ない。

両モータ２９．３５でＲ−運動とθ−運動が得られると
いう事実に因り、要求される電力は半分になる。それ故
モータは軽い構造のものでもよい。モータ２９．３５は
同形であるから、丈夫なモジュール構造に構成すること
ができる。マニピュレータは全体として比較的多数の同
じ部品を使用するため、高度にモジュール化される。更
にその構造は対称形であるため極めて簡単である。それ
故マニピュレータの製造、据付け、保守はかなり簡単に
なる。

特に組立用の比較的安価なマニピュレータを量産するこ
とができる。最適条件に合う剛性構造に因り、端作動具
を位置決めするための絶対精度と繰り返し精度は比較的
高い。最後に、マニピュレータの制御プロセッサをプロ
グラミングするのに要する円柱座標との座標変換によっ
て比較的急速で、安価な制御が可能となることは注目す
べきである。

【図面の簡単な説明】

第１図はマニピュレータの一実施例の側面図、第２図は
第１図のマニピュレータの平面図、第３図は第１．２図
に示すマニピュレータの一部を拡大して示す部分断面立
面図、第４図は第１図のマニピュレータの端作動具の駆動装置
の断面図、第５図は第１図のマニピュレータの差動駆動装置の一部
のブロック回路図である。１・・・垂直支持コラム　　　３・・・主軸線５・・・
台　　　　　　　　　７・・・第一歯付リング９・・・
第二歯付リング１１、１３．１５．１７・・・管状アーム１９・・・回
動軸線　　　　　　２１．２３・・・垂直回動輪線２５
・・・対角線　　　　　　　２７・・・端作動具２９、
３５・・・直流モータ　　　３１．３７．４３・・・伝
動装置３３、３９・・・ピニオン　　　　４０．４２．
４５・・・玉軸受４４・・・プラントフオーム　　４９
・・・歯付プーリ５１・・・第一歯付ベルト５３、６５；　６９・・・歯付プーリ　５５・・・旋回
シャフト６７・・・第二歯付ベルト７５・・・ナツト７
９・・・中空ロッド　　　　　８１・・・電気モータ８
２・・・歯付ベルト９１・・・スリーブ９３・・・ロー
ラ　　　　　　　９９．１０１・・・みぞ１０３　、１
０５・・・ケーブルハーネス１１１・・・カバー　　　
　　　１１３　、１１５・・・結線１１９・・・主スィ
ッチ１２１　、１２３・・・二極切換スイッチ１２５・・・
角度センサー　　　１２７　、１３１・・・比較器１３
３・・・プロセス制御器２！３ＦＩＧ、４

Claims

【特許請求の範囲】１、ロッド機構によって変位自在の端作動具をもち、前
記ロッド機構は４個の変位自在のアームをもち、そのう
ちの２個のアームは２個のアームの各々用の個別の駆動
装置によって主軸線の回りに回動でき、前記主軸線はロ
ッド機構の４個のアームのうちの少なくとも２個のアー
ムの変位が行われる平面に対して直角に延在している如
きマニピュレータにおいて、マニピュレータは前記主軸
線に対して直角をなす横断面において環状を成す作業ス
ペースをもち、前記主軸線の回りに回動する２個のアー
ムは同じ長さをもち、これらの２個のアーム用の同時に
作動せしめられる個々の駆動装置は１つの作動駆動装置
に統合されていると共に、主軸線の回りの前記２個のア
ームの等しい反対向きの角速度で主軸線に対する端作動
具の径方向の変位を生ぜしめかつ主軸線の回りの同じ方
向における２個のアームの等しい角速度で主軸線の回り
の端作動具の円形変位を生ぜしめるよう構成したことを
特徴とするマニピュレータ。２、等しい長さの２個の駆動されるアームの各々は個々
の電気モータに固定され、前記モータは主軸線の回りを
回動できると共に、固定配置した歯付リングにピニオン
を介して連結し、前記歯付リングの軸線は主軸線と一致
することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のマニ
ピュレータ。３、主軸線の近くにある等しい長さの２個のアームのう
ちの少なくとも１つのアームには電気モータを固定して
おり、このモータの出力シャフトは第一の管状アーム内
に配置した第一の歯付ベルトと第二の管状アーム内に配
置した第二の歯付ベルトを介して端作動具に連結してお
り、前記第一管状アームは旋回シャフトによって第二管
状アームに対して回動でき、前記旋回シャフトの軸線は
主軸線と平行であり、第一歯付ベルトと第二歯付ベルト
の動きを連動させるために第一プーリと第二プーリを前
記旋回シャフト上に固定したことを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のマニピュレータ。４、差動駆動装置は同じ電気的機械的動力をもつ二個の
同時に制御可能の電気モータから成り、一方のモータは
主軸線近くにあるロッド機構の１つのアームに機械的に
連結され、主軸線近くにあるロッド機構の他方のアーム
は他方のモータに機械的に連結されることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載のマニピュレータ。５、両モータは同じ直流モータとし、これらのモータは
同じ切換スイッチを介して同じ電流源から給電され、端
作動具の角度変位のために、切換スイッチの異なった極
性の位置において両モータは反対向きに付勢されるが、
端作動具の径方向の変位のために、切換スイッチの等し
い極性の位置において両モータは同じ向きに付勢される
ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のマニピュ
レータ。