KR890000737B1

KR890000737B1 - 직접구동방식 로보트

Info

Publication number: KR890000737B1
Application number: KR1019850008004A
Authority: KR
Inventors: 도오루 나까가와; 야스오 사꾸라이; 요시아끼 마끼자와
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤; 야마시다 도시히꼬
Priority date: 1984-11-19
Filing date: 1985-10-29
Publication date: 1989-04-03
Also published as: JPH0581395B2; JPS61121880A; KR860003884A; US4648785A

Abstract

내용 없음.

Description

직접구동방식 로보트

제1도는 종래의 직접구동방식의 로보트의 사시도.

제2도는 본 발명의 직접구동방식의 로보트의 작용을 설명하기 위한 원리도.

제3도는 a, b, c는 본 발명의 일실시예에 있어서의 직접구동방식 로보트의 정면도, 측면도 및 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

8 : 베이스 9 : 지주

12 : 제1원동기 출력축 26 : 제2원동기 출력축

40 : 제1아암 41 : 제2아암

42 : 제3아암 43 : 제4아암

53 : 핸드회전축 57 : 핸드축

61 : 척 62 : 상하구동용 원동기

67 : 회전구동용 원동기

본 발명은 원동기의 회전을 감속기를 개재하지않고 직접 아암의 회전으로 하는 관절을 가진 직접구동방식의 로보트에 관한 것이다.

종래의 직접구동방식 로보트는 제1도에 그 구체적 구성을 표시한 바와같이, 베이스(1)와, 이 베이스(1)와 회전가능하게 착설된 제1아암(2)과, 제1아암(2)의 타단에 회전가능하게 착설된 제2아암(3)과, 이 제2아암(3)의 타단에 착설된 복수의 운동축을 가진 기구(4)와, 베이스(1)내에 설치되고, 또한 제1아암(2)을 감속기를 개재하지않고 직접구동하는 제1의 원동기(도시하지 않음)와, 제1아암(2)내에 설치되고, 또한 제1아암(2)에 대해서 제2아암(3)을 상대적으로 그리고 감속기를 개재하지 않고 직접구동하는 제2의 원동기(도시하지 않음)와, 제2아암내 혹은 상기 기구(4)내에 착설된 상기 기구(4)를 구동하는 복수의 원동기(도시하지 않음)로 이루어져 있으며, 상기 각 원동기를 제어하므로서 로보트를 동작시키는 것이다.

그러나, 이와같은 구성에서는, 상기 제1아암(2)과 제2아암(3)의 회전각의 차이 및 각각의 아암의 회전속도 및 각각의 아암의 회전가속도에 의해서 변화하는 반력이, 제1아암과 제2아암의 상호간에 미치게 된다. 따라서, 제어장치에서 봤을 경우에, 제1 및 제2의 원동기의 부하의 특성이 동적으로 변화하게 되어, 소망의 로보트의 동작을 얻기가 곤란했다. 또, 상술의 제1아암(2)과 제2아암(3)의 상호간에 미치게하는 반력을 없애도록 동적인 보상제어를 행할 경우, 제어장치가 고가로 되었다.

본 발명의 목적은, 비교적 간단한 제어장치로 소망의 로보트의 동작을 행할수 있도록, 상술한 아암간에 발생하는 반력을 제거하는데 있다.

상기 본 발명의 목적은, 아암선단의 복수의 운동축을 가진 핸드부를 구동하는 원동기를 아암간의 간섭력을 서로 없애도록 배치하므로서 달성된다.

구체적으로는, 본 발명의 직접 구동방식 로보트는 베이스상에 설치된 제1원동기와 이 제1원동기와 공통의 축심을 가지며, 또한, 독립적으로 구동가능한 수단을 구비하여 설치된 제2원동기와, 제1원동기와 제2원동기를 지지하는 지주와, 제1원동기의 출력축과 결합된 제1아암과 이 제1아암의 타단에 회전가능하게 결합된 제2아암과, 이 제2아암의 타단에 회전가능하게 결합된 제3아암과, 상기 제2아암과 상기 제3아암의 결합점에서부터 상기 제1아암의 길이와 같은 거리를 떨어진 제3아암상에 위치한 회전축과 회전 가능하게 결합되고, 또한 타단이 제2원동기의 출력축과 결합되고, 또한 제2아암과 같은 길이를 가진 제4아암과, 상기 제3아암과 제4아암의 결합점에 관하여, 상기 제2아암과 제3아암의 결합점과 반대쪽의 제3아암에 착설된 복수의 운동축을 가진 기구와, 상기 제3아암과 제4아암의 결합점에 관하여, 상기 기구와 반대쪽의 제3아암상에 고정되고, 또한 아래식을 만족할 수 있도록 배치된 적어도 1개의 원동기와, 이 원동기로부터 상기 기구에의 동력전달 수단으로 이루어지며, 폐루우프 평행링크아암을 형성하는 것이다.

m₂l₁h₂≒m₃l₂h₃...............................................(1)

〔여기서, l₁은 제1아암의 길이, l₂는 제2아암 및 제4아암의 길이, m₂는 제2아암의 질량 m₃는 제3아암 및 제3아암에 고정된 원동기 및 복수의 운동축을 가진 기구 및 동력전달 기구의 질량을 합한것, h₂는 제1아암과 제2아암의 결합점에서부터 제2아암의 중심(重心)위치까지의 거리, h₃는 제3아암 및 제3아암에 고정된 원동기 및 복수의 운동축을 가진 기구 및 동력전달 기구로 이루어진 계(系)의 중심위치를, 제3아암과 제4아암의 결합점에서부터 복수의 운동축을 가진 구구방향에의 거리로 표시한것〕

또, 본 발명은, 상기 기구의 제1아암에서부터 제4아암에 의하여 형성되는 면에 수직운동의 구동원이되는 원동기와 상기 기구의 제1아암에서부터 제4아암에 의해서, 형성되는 면내의 회전운동의 구동이 되는 원동기를, 제2아암과 제3아암의 결합점과 제3아암과 제4아암의 결합점의 사이에 제3아암상에, 상기 (1)식을 만족할 수 있게 배치하는 구성을 포함한다.

이하에, 먼저 본 발명의 작용에 대해서 제2도에 의거하여 구체적으로 설명한다.

제2도에 기본구성을 표시한 바와같이, 폐루우프 평행링크아암을 사용하고, 또한 제2도의 A로 표시한 범위에 상기식(1)을 만족할 수 있도록 원동기를 배치하므로서 제2도에 제1아암과 제4아암간의 반력을 제거하는 것이다. 상기 문제점을 해결하기 위한 수단에 의해서, 어떻게 상기 제1아암과 제4아암간의 반력이 제거될 수 있는가에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 제2도에 기본구성을 표시한 본 발명의 로보트의 라그란지의 운동방정식은,

가 된다. 여기서,

이며, h₁, h₂, h₃, h₄의 위치의 기준은 제2도와 같다. 또, 제1원동기의 출력축은 제1아암에, 제2원동기의 출력축은 제4아암에 감속기를 개재하지 않고 직접결합되어 있다. (2)식, (3)식에, 의하면, 제1원동기의 출력토오크(Q₂)가 발생하고, 제1아암에 회전각(θ₂), 회전속도(θ₂), 회전가속도(θ₂)가 발생하면, (2)식 우변 제2항 및 제3항에서 표시되는 간섭관성력과 원심력이 발생하며, 그 영향이 제4아암의 회전각(θ₁)에 영향되는 것을 알 수 있다. 그러나, 문제점을 해결하기 위한 수단으로서 이미 설명한 바와같이 (1)식을 만족할 수 있도록 제3번째 이하의 원동기를 제2의 A의 범위에 배치하면, (2), (3)식은,

.........................................(2)′

.........................................(3)′

가 되며, 제1원동기의 출력토오크(Q₂)가 발생해도, 그 영향은 제4아암의 회전각(θ₁)에 미치지 않는다.

이 결과, 본 발명에 의한 직접구동방식의 로보트는, 제1아암 및 제1원동기와, 제4아암 및 제2원동기의 사이에 토오크의 간섭이 일어나지 않으며, 제어를 생각했을 경우, 제어대상이 선행특성을 지니기 때문에, 제어가 용이해진다.

제3도 a~c는 상기 원리를 구현화한 본 발명의 직접구동방식 로보트의 일실시예를 표시한 정면도, 측면도 및 평면도이다. 제3도에 있어서, (8)은 전체를 지지하는 베이스, (9)는 베이스(8)에 고정된 지주, (10)은 베이스(8)에 고정된 하우징, (11)은 지주 (9)에 고정된 하우징이다. (12)는 지주(9)와 베어링(13) 및 (14)을 개재해서 회전가능하고, 또한 하우징(11)과 베어링(15)을 개재해서 회전가능하고, 또한 상하 방향에는 베어링(15)과 지륜(止輪)(16)과 지륜(17)으로 고정된 제1원동기 출력축, (18)은 제1원동기 출력축에 고정된 제1원동기 영구자석 회전자, (19)는 하우징(11)에 고정된 제1원동기 고정자 철심, (20)은 제1원동기 고정자 철심에 감겨진 고정자 권선이다. 제1원동기의 주구성요소는 제1원동기출력축(12), 제1원동기 영구자석 회전자(18), 제1원동기 고정차철심(19), 제1원동기 고정자 권심(20)이다. (21)은 제1원동기출력축(12)에 고정된 제1속도 발전기 영구자석 회전자, (22)는 하우징(11)에 고정된 제1속도 발전기 고정자이다. 제1속도발전기의 주구성요소는 제1속도 발전기 영구자석 회전자(21), 제1속도 발전기 고정자(22)이다. (23)은 제1원동기 출력축(12)에 고정된 제1부호기 입력축, (24)는 하우징(11)에 고정된 제1부호기, (25)는 외피이다. 또, (26)은 지주(9)와 베어링(27) 및 (28)을 개재해서 회전가능하고 또한 하우징(10)과 베어링(29)을 개재해서 회전가능하고, 또한 상하 방향에는 베어링(29)과 지륜(30)과 지륜(31)으로 고정된 제1원동기 출력축, (32)는 제2원동기 출력축에 고정된 제2원동기 영구자석 회전자, (33)는 하우징(10)에 고정된 제2원동기 고정자 철심, (34)는 제 원동기 고정자 철심에 감겨진 고정자 권선이다. 제2원동기의 주구성요소는 제2원동기의 출력축(26), 제2원동기 영구자석 회전자(32), 제2원동기 고정자 철심(33), 제2원동기 고정자 권선(34)이다. (35)는 제2원동기 출력축(26)에 고정된 제2속도 발전기 영구자석 회전자(36)은 하우징(10)에 고정된 제2속도 발전기 고정자이다. 제2속도 발전기의 주구성요소는 제2속도발전기 영구자석 회전자(35), 제2속도 발전기 고정자(3 6)이다. (37)은 제 원동기 출력축(26)에 고정된 제2부호기 입력축, (38)은 하우징(1 0)에 고정된 제2부호기 (39)는 외피이다. (40)은 제1원동기 출력축(12)과 감속기를 개재하지 않고 직접결합되어 있는 제1아암, (41)은 제2아암, (42)는 제3아암, (43)은 제4아암이다. (44)는 제2아암(41)과 지륜(45)으로 고정되어 있으며, 또한 베어링(46 )을 개재해서 제3아암(42)과 회전가능하게 결합되어 있는 회전축이다. 이와마찬가지로, 제1아암(40)과 제2아암(41), 제3아암(42)과 제4아암(43)은 각각 회전가능하게 결합되어 있다. 제4아암(43)은 타단은 제2원동기 출력축(26)과 감속기를 개재하지 않고 직접결합되어 있다. 여기서 제2아암(41)과 제4아암(43)은 같은 길이이며, 제3아암 (42)과 제4아암(43)의 결합부에서부터 제2아암(41)과 제3아암(42)의 결합부까지의 길이는, 제1아암(40)과 같은 길이고, 제1아암(40), 제2아암(41), 제3아암(42), 제4아암(43)은 평행사변형의 폐루우프의 링크아암을 형성하고 있다. (47)은 제3아암(42)에 고정된 핸드기구지지부재, (48)은 베어링(49) 및 베어링(50)을 개재해서 핸드기구지지부재(47)와 회전가능하고, 또한 상하 방향으로는 움직이지 않는 이송기구용 수나사, (51)는 이송기구용 수나사(48)의 단부(端部)에 고정된 톱니바퀴 벨트풀리, (52)는 이송기구용 암나사이다. (53)은 베어링(54)과 (55)를 개재해서 핸드기구지지부재(47)와 회전가능하고, 또한 핸드기구지지부재(47)에 대하여 상하 방향으로는 이동하지 않도록 고정된 핸드회전축, (56)은 핸드회전축(53)의 단부에 동일축상에 고정된 톱니바퀴 벨트풀리, (57)은 핸드회전축(53)과 동일축상에 설치되고, 또한 핸드회전축(53)에 대해서 상하 방향으로 접동가능하고, 또한 핸드회전축(53)에 대해서 회전 불능한 핸드축이다. 핸드회전축(53)과 핸드축(57)은 미끄럼대우(對偶)를 구성하고 있다. (58)은 베어링(59)을 개재해서 핸드축(57)과 회전가능하고 또한 지륜(60)에 의하여 핸드축 (57)과 상하 방향으로는 고정되어 있고, 또한 이송기구용 암나사(52)와 고정되어 있는 상하 구동부재이다. (61)는 척이며, 솔레노이드 구동이다. (62)는 제3아암(42)에 고정된 상하 구동용 원동기, (63)는 상하 구동용 원동기(62)의 회전속도를 검출하는 속도발전기, (64)는 상하 구동용 원동기(62)의 회전각도를 검출하는 부호기, (65)는 상하 구동용 원동기의 출력축, (66)은 상하 구동용 원동기에 고정된 톱니바퀴 벨트풀리이다. (67)은 제3아암(42)에 고정된 회전구동용 원동기, (68)은 회전구동용 원동기(67)의 회전속도를 검출하는 속도발전기, (69)는 회전구동용 원동기(67)의 회전각도를 검출하는 부호기, (70)은 회전구동용 원동기(67)의 출력축, (71)은 회전구동용 원동기 출력축에 고정된 톱니바퀴 벨트풀리이다. (72)는 톱니바퀴 벨트풀(51)과 톱니바퀴 벨트풀리(66)에 적당한 장력을 가지고 걸려있는 톱니바퀴 벨트, (73)은 톱니바퀴 벨트풀리 (56)와 톱니바퀴 벨트풀리(71)에 적당한 장력을 가지고 걸려있는 톱니바퀴 벨트이다. 또, 제1원동기와 제2원동기간의 간섭토오크를 제거하기 위하여 발명의 개시에서 표시한 식(1)을 만족하도록 제2아암과 제3아암의 결합점과 제3아암과 제4아암의 결합점간의 제3아암상에 상하구동용 원동기(62)와 회전구동욕 원동기(67)를 배치하고 있다.

이상과 같이 구성된 직접구동방식 로봇에 있어서, 이하에 그 동작을 설명한다.

일반적으로, 평면작업용 로보트에 있어서는, 선단핸드축 혹은 척의 임의의 위치결정과, 상하 및 회전운동이 필요하다. 선단위치 결정에 관해서는, 먼저 제1원동기를 제1속도 발전기와 제1부호기(24)의 이용에 의해서 회전속도와 회전각도를 피이브백해서 위치제어하고, 마찬가지로 제2원동기를 제2속도 발전기와 제2부호기(38)의 이용에 의해서 회전속도와 회전각도를 피이드백해서 위치제어한다. 제1원동기와 제2원동기가 위치제어되면, 제1원동기 출력축(12)에 직결되어 있는 제1아암(40)과 제2원동기 출력축(26)에 직결되어 있는 제4아암(43)이 작동하고, 통상의 평행사변형 링크기구의 원리로 제3아암이 작동한다. 제1원동기와 제2원동기는 독립적으로 위치제어할 수 있으므로, 핸드축(57) 혹은 척(61)의 임의의 위치결정이 가능해진다. 또, 척(61)의 상하 방향의 위치 결정에 관해서는, 먼저 상하 구동용 원동기(62)를 속도발전기(63)와 부호기(64)의 이용에 의해서 회전속도와 회전각도를 피이브백해서 위치제어한다. 상하 구동용 원동기가 위치제어되면, 상하 구동용 원동기의 회전방향의 위치결정은, 상하 구동용 원동기 출력축(65), 톱니바퀴 벨트풀리(66), 톱니바퀴(72), 톱니바퀴풀리(51)를 개재해서 이송기구용 수나사(48)의 회전방향의 위치결정을 하게 된다. 이 이송기구 수나사(48)의 회전 방향의 위치 결정은 이송기구용 암나사(52)의 상하 방향의 위치결정으로 변환되며, 또 이송기구용 암나사(52)에 고정되고, 또한 핸드축(57)과 상하방향으로 고정되어 있는 상하 구동부재의 상하 방향의 위치결정이 행해지고, 척(61)의 상하 방향의 위치결정이 가능해진다. 척(61)의 회전방향의 위치결정에 관해서는, 먼저 회전구동용 원동기(67)를 속도발전기(68)와 부호기(69)의 이용에 의해서 회전속도와 회전각도를 피이드백해서 위치제어한다. 회전구동용 원동기가 위치제어되면, 회전구동용 원동기의 회전방향의 위치결정은 회전구동용 원동기 출력축(70), 톱니바퀴 벨트풀리 (71), 톱니바퀴벨트(73), 톱니바퀴 벨트풀리(56)를 개재해서 핸드회전축(53)의 회전방향의 위치결정을 하게 된다. 핸드회전축(53)과 핸드축(57)은 상대적으로 회전운동이 불가능하므로, 척(61)의 회전방향의 위치결정이 가능해진다.

또한, 상기한 바와같아 폐루우프 평행링크의 아암구성에 있어서, 핸드부와 척(61)을 부착하는 경우, 핸드기구부내 혹은 그 근접한 위치에, 척(61)을 부착하는 경우, 핸드기구부내 혹은 그 근접한 위치에, 척(61)의 상하 및 회전구동용 원동기를 부착하면, 그 조립과 동력전달기구는 간단해지나, 제3아암(42)의 선단부근에 상하 및 회전구동용 원동기가 배치되기 때문에, 식(1)에 있어서의 제3아암부의 중심위치(H₃)는 본 발명의 실시예에서의 경우보다, 매우 크게된다. 즉, m₂l₁h₂＜m₃l₂h₃가 된다. 따라서, 식(1)을 만족시켜서 제1아암(40)과 제4아암(43) 사이에 힘의 간섭이 발생하지않도록 할려면, 제3아암부의 중심위치(h₃가 크게되어 있으므로, 식(1)에 있어서 제2아암부의 질량(m₂)을 크게하거나, 제1아암의 길이(l₂)를 크게 취하거나, 혹은 제2아암부의 중심위치(h₂)를 크게하는 길밖에 없다(제2도참조). 어느 방법도 폐루우프 평행링크가 커지거나 혹은 전체의 질량이 증가하는 경향에 있으며, 원동기의 부하가 증가하게 된다.

이상과 같이 본 발명에서는, 척의 상하 및 회전구동용의 원동기를 제2아암과 제3아암의 결합부에서부터 제3아암과 제4아암의 결합부까지의 사이에 식(1)을 만족하도록 배치하므로서, 그들의 핸드부 부근에 착설한 경우보다, 폐루우프 평행링크가 작은, 콤팩트한 아암 혹은 원동기부하가 작은 아암을 구성할 수 있으며, 또한 제1아암과 제4아암의 힘의 간섭을 제거할 수 있다.

Claims

베이스상에 설치된 제1원동기와, 이 제1원동기와 공통의 축심을 가지고, 또한 독립적으로 구동가능한 수단을 구비하여 설치된 제2원동기와, 제1원동기와 제2원동기를 지지하는 지주와, 제1원동기의 출력축과 결합된 제1아암과, 제1아암의 타단에 회전가능하게 결합된 제2아암과, 이 제2아암의 타단에 회전 가능하게 결합된 제3아암과, 상기 제2아암과 상기 제3아암의 결합점에서부터 상기 제1아암의 길이와 동일거리 떨어진 제3아암상에 위치한 회전축과 회전가능하게 결합되고, 또한 타단이 제2원동기의 출력축과 결합되고, 또한 제2아암과 같은 길이를 가진 제4아암과, 상기 제3아암과 제4아암의 결합점에 관해서, 상기 제2아암과 제3아암의 결합점과 반대쪽의 제3아암에 착설된 복수의 운동축을 가진 기구와, 상기 제3아암과 제4아암의 결합점에 관해서 상기 기구와 반대쪽의 제3아암상에 고정되고, 또한 아래식을 만족하도록 배치된 적어도 1개의 원동기와, 이 원동기로부터 상기 기구에의 동력전달 수단으로 이루어지며, 폐루우프 평행링크 아암을 형성하는 직접구동방식 로보트.

m₂l₁h₂≒m₃l₂h₃

〔여기서, l₁은 제1암의 길이, l₂는 제2아암 및 제4아암의 길이, m₂는 제2아암의 질량, m₃는 제3아암 및 제3아암에 고정된 원동기 및 복수의 운동축을 가진 기구 및 동력전달기구의 질량을 합한 것, h₂는 제1아암과 제2아암의 결합점에서부터 제2아암의 중심위치까지의 거리, h₃는 제3아암 및 제3아암에 고정된 원동기 및 복수의 운동축을 가진 기구 및 동력전달기구로 이루어진 계(系)의 중심위치를, 제3아암과 제4아암의 결합점에서부터 복수의 운동축을 가진 기구방향에의 거리로 표시한것.〕
베이스상에 설치된 제1원동기와, 이 제1원동기와 공통의 축심을 가지고, 또한 독립적으로 구동가능한 수단을 구비하여 설치된 제2원동기와, 제1원동기와 제2원동기를 지지하는 지주와, 제1원동기의 출력축과 결합된 제1아암과, 이 제1아암의 타단에 회전가능하게 결합된 제2아암과, 이 제2아암의 타단에 회전가능하게 결합된 제3아암과, 상기 제2아암과 상기 제3아암의 결합점에서부터 상기 제1아암의 길이와 동일거리 떨어진 제3아암상에 위치한 회전축과 회전가능하게 결합되고, 또한 타단이 제2원동기의 출력축과 결합되고, 또한 제2아암과 동일 길이를 가진 제4아암과, 상기 제3아암과 제4아암의 결합점에 관해서, 상기 제2아암과 제3아암의 결합점과 반대쪽의 제3아암에 착설된 복수의 운동축을 가진 기구와, 상기 제3아암과 제4아암의 결합점에 관해서, 상기 기구와 반대쪽의 제3아암상에 고정되고, 또한 아래식을 만족하도록 배치되며, 또한 상기 복수의 운동축을 가진 기구의 제1아암에서부터 제4아암에 의해서 형성되는 면에 수직의 운동의 구동원이 되는 원동기와, 상기 제3아암에 고정된 원동기로부터 상기 기구에의 동력 전달기구와, 상기 제3아암과 제4아암의 결합점에 관해서 상기 기구와 반대쪽의 제3아암상에 고정되고, 또한 아래식을 만족하도록 배치되며, 또한 상기 복수의 운동축을 가진 기구의 제1아암에서부터 제4아암에 의해서 형성되는 면내의 회전운동의 구동원이 되는 원동기와, 이 원동기와 상기 기구에의 회전동력전달기로 이루어지며, 폐루우프 평행링크 아암을 형성하는 직접구동식 로보트.

m₂l₁h₂≒m^xl₂h₃

〔여기서, l₁은 제1아암의 길이, l₂는 제2아암 및 제4아암의 길이, m₂는 제2아암의 질량, m₃는 제3아암 및 제3아암에 고정된 원동기 및 복수의 운동축을 가진 기구 및 동력전달기구의 질량을 합한 것, h₂는 제1아암과 제2아암의 결합점에서부터 제2아암의 중심위치까지의 거리, h₃는 제3아암 및 제3아암에 고정된 원동기 및 복수의 운동축을 가진 기구 및 동력전달기구로 이루어진 계의 중심위치를, 제3아암과 제4아암의 결합점으로부터 복수의 운동축을 가진 기구 방향에의 거리로 표시한것.〕