JP2820503B2 - 多関節ロボット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、主に産業分野のロボットにおいて、アーム
を構成するリンクと関節構造及びアームを位置決めする
ための関節の駆動部に関するものである。

〔従来の技術とその課題〕

ロボットを利用した自動化システムを構築する場合、
システムを設計するエンジニアからは、ロボットの持つ
動作領域がそのシステムに適合する形状で、かつロボッ
トの設置に必要な面積のうちで動作領域の占める割合が
高いことが要求され、さらに高速で動作できることも要
求される。

以下、図面を参照しながら、従来のロボットの上述し
た要求項目に関する現状について説明する。

第５図は３つの直線駆動機構28と１つの回転駆動機構
29を持つ、一般的に直交形と呼ばれるロボットの構造モ
デルとその動作領域30を示す図である。直交形ロボット
の特徴としては、図のように使いやすい立方形の動作領
域30を持つこと、ボールネジと呼ばれる回転／直動変換
機構を採用しているので、その減速効果により、あまり
高速に動作させることができないこと、構造がリンクを
組み合わせたものより複雑で大きくなるため、設置に必
要な面積のうちに占める動作領域30平面の割合が低い点
が上げられる。

第６図は２本のリンク31、32を水平に配置して、それ
ぞれのリンク31、32を回転させる回転駆動機構33、34
と、直線駆動機構35及び回転駆動機構36から構成される
工具軸部37とを持ち、一般的に水平多関節形と呼ばれる
ロボットの構造モデルとその動作領域38を示す図であ
る。水平多関節形ロボットの特徴としては、図のように
中空円筒形の動作領域38を持つが、それが一般的にパレ
ットや他の周辺機器の配置を考えると、使用効率の良い
形状ではないこと、リンク31、32を組合せ、先端に工具
軸部37を配置する構造であるため、その増速効果によ
り、高速に動作させることができること、ロボットの構
造が中央に基部39を配置して、その上にリンク31、32を
積み重ねる構造を採っているため、設置に必要な面積に
占める動作領域38平面の割合が、直交形のロボットに比
べて高い点が上げられる。

これまで述べてきたように、どのタイプのロボット
も、システムを設計するエンジニアの要求を全般的に満
たすことができないのが、現状である。

そこで本発明の目的は、動作領域が使用効率の高い略
立方体の形状であり、高速に動作可能で、設置に必要な
面積に占める動作領域平面の割合が高いコンパクトなロ
ボット構造を提供する。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

本発明は、天井あるいは壁面などの外部に固定される
基部に形設された、鉛直下方に移動可能な可動部を有す
る直線駆動機構と、 この直線駆動機構の可動部に取り付けられた、ｘ軸中
心、ｙ軸中心に回転可能な２個の回転駆動機構が配置さ
れた駆動関節部と、 この駆動関節部に連結された主リンク、補助リンク
と、前記２個の回転駆動機構に対向配置された２個の回
転機構からなる従動関節部と、２組の補助リンク関節部
とによって構成された２組の平行リンク機構と、 この平行リンク機構の先に取り付けられた工具軸とを
有する多関節ロボットの構造を提案する。

この構造を採用することによって、駆動関節部のどち
らの回転駆動機構が回転しても、２組の平行リンク機構
が先端に配置された工具軸部を常に鉛直方向に保つよう
に作用し、2.5次元の位置決めを可能にしている。

また、２組の平行リンク機構を、基部に形設された直
線駆動機構と駆動関節部の２個の回転駆動機構とを使い
動作させることにより、工具軸部先端の位置が略立方体
の動作領域を確保する。

さらに、基部を天井あるいは壁面などの外部に固定す
ることにより、設置に必要な面積は小さくなり、設置面
積に対する動作領域平面の占める割合が大きくなり、リ
ンク構造を採用することで回転／直線変換機構を利用し
た直線駆動機構より高速で動作することもできる。

さらにまた、この構造はｘ、ｙ、ｚ、ｃ方向への位置
決めのための各関節を制御する演算が比較的簡単に行え
る構造でもある。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明す
る。

第１図は本実施例のロボットの外観を示している。天
井に固定された基部１にポール部２を鉛直下方に立設
し、ポール部２に組み込まれた直線駆動機構の先端に２
自由度の駆動部分を持つ第１関節部３を水平方向に配置
する。第１関節部３のｙ方向自由度の部分には、アーム
部４が鉛直方向に接続され、第１関節部３の動きに合わ
せて従動的に動く２自由度の第２関節部５を経由して、
回転駆動機構を持つ工具軸部６を保持している。工具軸
部６先端にはツール７が取り付けられるが、このツール
７の位置決め可能な範囲は、一点鎖線で表された動作領
域８の中で、その形状は略立方体となる。なお、本実施
例では、基部１を天井に固定したが、壁面などに固定し
てもよく、その際は基部１あるいはポール２を水平方向
に突出させることで対応できる。

次に、第１図と第２図に示された構造モデルにより、
構造についての詳細な説明を行なう。基部１に固定され
たポール部２には、直線駆動機構が組み込まれており、
ツール７のｚ方向の位置決めを行なう。後述するがxy方
向の位置決めを行なう場合、アーム部４を揺動させるこ
とになる。このロボットの構造ではxy方向の動作に伴
い、ｚ方向に補正をかける必要が生じるが、この補正も
ポール部２の直線駆動機構の可動部９の動きによって補
正制御される。直線駆動機構の可動部９には、ｘ軸中
心、ｙ軸中心に回転可能な２個の回転駆動機構を直角方
向に配置した第１関節部３が取り付けられている。ｘ軸
中心回転駆動機構の出力部13には主リンク14が取り付け
られ、ｘ軸中心回転従動機構の入力部21へ接続される。
ｘ軸中心回転駆動機構の入力部12に固定された第２補助
リンク固定部16からは、上下の第１補助リンク関節19に
挾まれる形で、第１補助リンク25が、ｘ軸中心回転従動
機構の出力部22に固定されている第４補助リンク固定部
18へ接続されている。これにより、ｙ方向に主リンク14
と第１補助リンク25から構成される１組の平行リンク機
構が形成され、ｘ軸中心回転駆動機構12、13が回転する
ことにより、アーム部４はｙ方向に揺動運動する。

ｘ方向は直線駆動機構の可動部９が固定されたｙ軸中
心回転駆動機構の入力部10に、正面から見ると、ｘ軸中
心回転駆動機構の入出力部12、13、主リンク14、ｘ軸中
心回転従動機構の入出力部21、22と連なるコの字形のリ
ンク群が、ｙ軸中心回転従動機構の入出力部23、24に接
続される。またｙ軸中心回転駆動機構の入力部10に固定
された第１補助リンク固定部15には、上下の第２補助リ
ンク関節20に挾まれる形で第２補助リンク26が、工具軸
部６を保持しているｙ軸中心回転従動機構の出力部24に
固定されている第３補助リンク固定部17に接続されてい
る。これにより、ｘ方向は前述のコの字形のリンク群と
第２補助リンクによって構成される平行リンク機構が形
成され、ｙ軸中心回転駆動機構10、11が回転することに
より、アーム部４はｘ方向に揺動運動する。この場合、
平行リンクを構成する第２補助リンク関節20は、xyzの
３自由度を持つ関節でなければならない。よって、第１
関節部３の回転駆動機構を回転させることにより、２組
の平行リンク機構を揺動運動し、ツール７をxy方向に位
置決めすることができる。基本的にこの２組の平行リン
ク機構が、xy方向の２自由度の構成になるために、ポー
ル部２の直線駆動機構のｚ方向の１自由度と併せて、ツ
ール７の動作領域８は略立方体の形状となる。また、工
具軸部６に組み込まれたｃ方向回転駆動機構27を併せる
ことにより、４自由度の位置決めが可能である。

次に、第３図の動作モデルを用い、ロボットの動作と
工具軸部６の鉛直方向への機械的な姿勢修正の仕組みを
説明する。

第３図（ａ）、（ｂ）はロボットを正面から見た図で
ある。ｘ軸中心回転駆動機構の入出力部12、13、主リン
ク14、ｘ軸中心回転従動機構の入出力部21、22と連なる
コの字形のリンク群と、上下の第２補助リンク関節20に
挾まれる形の第２補助リンク26とにより、平行リンク機
構が構成されている。ここで、ｙ軸中心回転駆動機構の
出力部11がθ回転しても、第１補助リンク固定部15に保
持されている上の第２補助リンク関節20は、そのままの
位置を保つ。これにより、上下の第２補助リンク関節20
に挾まれる形の第２補助リンク26、第３補助リンク固定
部17、ｙ軸中心回転従動機構の入出力部23、24を経由し
て、工具軸部６に接続されているリンク群の自由度を拘
束し、（ｂ）のような姿勢で位置決めされる。この時、
工具軸部６は姿勢修正作用がない場合、（ｂ）の一点鎖
線で表された位置に位置決めされる。しかし、平行リン
クの姿勢修正作用により、ｙ軸中心回転駆動機構の回転
角度と同じ大きさで反対の方向に姿勢を変える。

第３図（ｃ）、（ｄ）は、ロボットを左側面から見た
図である。（ｃ）を見ると、ｘ軸中心回転駆動機構の出
力部13、主リンク14、ｘ軸中心回転従動機構の入力部21
のリンク群と、第２補助リンク固定部16、上下の第１補
助リンク関節19、第１補助リンク25、第４補助リンク固
定部18とで、平行リンク機構が構成されているのがわか
る。ここで、ｘ軸中心回転駆動機構の出力部13がα回転
しても、第２補助リンク固定部16に保持されている上の
第１補助リンク関節19は、そのままの位置を保つ。これ
により、上下の第１補助リンク関節19に挾まれる形の第
１補助リンク25、第４補助リンク固定部18、ｘ軸中心回
転従動機構の入出力部21、22を経由して、ｙ軸中心回転
従動機構の入力部23に接続されているリンク群の自由度
を拘束し、（ｄ）のような姿勢で位置決めされる。この
時、工具軸部６は姿勢修正作用がない場合、（ｄ）の一
点鎖線で表された位置に位置決めされる。しかし、平行
リンクの姿勢修正作用により、ｘ軸中心回転駆動機構の
回転角度と同じ大きさで反対の方向に姿勢を変える。

これまでｘ、ｙ別々に動作した場合を説明したが、
ｘ、ｙが同時に動作してもそれぞれの方向で姿勢修正作
用が働き、工具軸部６の姿勢は鉛直方向に自動的に修正
される。

最後に、このロボットを位置制御する場合の運動につ
いて、順、逆両方向の説明を行なう。

第４図は、このロボットの運動学モデルを表してい
る。これはｙ軸中心駆動機構をθ回転、ｘ軸中心駆動機
構をα回転、ｚ方向直線駆動機構をz1移動、ｃ方向回転
駆動機構をβ回転させた時の運動モデルである。正面図
はロボットのxz平面で、側面図はｘ方向のアームの回転
角度と同じ角度傾けて、アームの姿勢に平行になるよう
にしたyz平面を表している。このモデルを見ると、xy方
向を同時に回転させると、ロボットの構造上xz方向の位
置は、それぞれの駆動機構が一意的に決めるのではな
く、xyzの３つの駆動機構が補正しあって位置決めされ
ることが分かる。

順方向の運動は、次の式で表される。

ｘ＝ｒ＊cos α＊sin θ ｙ＝ｒ＊sin α ｚ＝ｒ＊cos α＊cos θ＋z1＋z2 ｃ＝β 逆方向の運動は、〜により次の式で表される。な
お、ここではxyz方向に関係するαとβについて説明す
る。

α＝sin^-1（y/r） θ＝cos^-1（（ｚ−z1−z2）/x） また、逆方向の運動を検討する場合、p1を原点にして
p2が球面の軌道をとることに注目して、次のように考え
ることもできる。

まず、球の方程式は、 X²＋Y²＋Z²＝R² ここで〜により、Ｘ＝ｘ、Ｚ＝ｚ−z1−z2、Ｙ＝
ｙ、Ｒ＝ｒを代入して、次のように表される。

α＝cos^-1（（X²＋Z²）/R²）^1/2 θ＝sin^-1（X²/（X²＋Z²））^1/2 このように、比較的簡単な演算で関節を制御して、ツ
ール７を位置決めできる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、２組の平行リンク機構を組み
合わせることにより、使いやすい略立方体の動作領域を
確保して、４方向の位置決めが可能になる。いわゆる天
吊り形の構造とリンク構造を採用しているので、設置に
必要な面積に占める動作領域平面の割合が高く、このロ
ボットを使うことでコンパクトな自動システムの構築が
でき、しかも高速に動作することができる。さらに、平
行リンク機構の姿勢修正作用により、位置決めの制御が
比較的簡単に行なうこともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による多関節ロボットの一実施例の外
観図、第２図は、第１図で示した多関節ロボットの構造
をモデル化した図、第３図は、その動作を表した動作モ
デルの図、第４図は、動作モデルをさらに数学的モデル
に置き換えた運動を表す図、第５図、第６図は、従来の
ロボットの構造モデルを示し、第５図が直交形ロボッ
ト、第６図が、水平多関節形ロボットを示している。 １……基部、３……第１関節部、 ４……アーム部、５……第２関節部、 ６……工具軸部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】天井あるいは壁面などの外部に取り付け可
   能な基部と、 この基部に形設された鉛直方向に移動可能な可動部を有
   する直線駆動機構と、 水平面に連結して配置されるｘ軸中心、ｙ軸中心に回転
   可能な２個の回転駆動機構を有する、前記直線駆動機構
   の可動部に具設された駆動関節部と、 回転可能で、かつ先端にツールを取り付け可能な工具軸
   と、 前記駆動関節部の一方の回転駆動機構に連結された他方
   の回転駆動機構に、連結された主リンクと、 この主リンクと前記工具軸とを連結する、前記２個の回
   転駆動機構にそれぞれ対向配置された２個の回転従動機
   構と、 前記２個の回転駆動機構の間と、前記２個の回転従動機
   構の間とを連結する第１補助リンクと、 前記直線駆動機構の可動部と前記工具軸とを連結する第
   ２補助リンクと、 から構成され、 前記第１補助リンクは、それぞれの端部を前記主リンク
   が連結される回転駆動機構に平行に配置された第１補助
   リンク関節を介して連結され、かつ、前記主リンクと平
   行リンクをなし、 前記第２補助リンクは、それぞれの端部を３自由度を有
   する第２補助リンク関節を介して連結され、かつ、前記
   主リンクと平行リンクをなし、さらにこの平行リンクの
   形成する面が前記平行リンクの形成する面と直角になる
   ごとく配置されたことを特徴とする多関節ロボット。