JP2013111665A - 水平多関節ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】アームの振動がより効果的に抑制できる水平多関節ロボットを提供する。
【解決手段】水平多関節ロボットは、基台に連結される第１アームと、第１アームを介して基台に連結される第２アームと、基台に内蔵されて第１アームを水平方向に回動する第１駆動源と、第２アームに内蔵されて第２アームを水平方向に回動する第２駆動源と、第２アームに設置された角速度センサーとを備え、第２アームが第２駆動源によって回動する回動軸心Ａから第２アーム先端までの長さをＬ１とし、回動軸心Ａから角速度センサーの設置位置Ｂまでの距離をＬ２とし、第２アームの重心Ｊから角速度センサーの設置位置Ｂまでの距離をＬ３としたときに、設置位置Ｂは、Ｌ２＞０．５Ｌ１かつＬ３＜０．２Ｌ１を満たし、角速度センサーより得られた角速度に基づいて第１駆動源および／または第２駆動源を駆動し、第２アームを制振する。
【選択図】図２

Description

本発明は、水平多関節ロボットに関する。

従来、例えば、特許文献１に記載されているように、角速度センサーによりアームの角速度を検出することで、アームに生じた振動を抑える水平多関節ロボットが知られている。この水平多関節ロボットは、基台に対して回動可能な第１アームが、第１駆動源の駆動力を受けて回動する際、第１アームに搭載される角速度センサーによって第１アームの角速度が検出される。この検出した角速度に基づいて、第１アームに生じた振動が抑えられるように、第１駆動源の駆動量が制御されている。

特開２００５−２４２７９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の水平多関節ロボットでは、アームに対して角速度センサーを取り付ける位置や方法について何ら具体化されていないため、益々高速化、高精度化に対するニーズが高まる水平多関節ロボットにおいて、充分なアームの振動が抑制できないという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる水平多関節ロボットは、基台に連結される第１アームと、少なくとも第１アームを介して基台に連結される第２アームと、基台に内蔵されて第１アームを水平方向に回動する第１駆動源と、第２アームに内蔵されて第２アームを水平方向に回動する第２駆動源と、第２アームに設置された角速度センサーと、を備え、第２アームが第２駆動源によって回動する回動軸心Ａから第２アーム先端までの長さをＬ１とし、回動軸心Ａから角速度センサーの設置位置Ｂまでの距離をＬ２とし、第２アームの重心Ｊから設置位置Ｂまでの距離をＬ３としたときに、設置位置Ｂは、Ｌ２＞０．５Ｌ１かつＬ３＜０．２Ｌ１を満たし、角速度センサーより得られた角速度に基づいて第１駆動源および／または第２駆動源を駆動し、第２アームを制振することを特徴とする。

本適用例によれば、第２アームに取り付ける角速度センサーの設置位置ＢをＬ２＞０．５Ｌ１とすることにより、より感度良く第２アームの水平方向の振動を検知することが可能となる。また、第２アームに取り付ける角速度センサーの設置位置Ｂを、コントロールすべき重心位置により近いＬ３＜０．２Ｌ１とすることにより、より正確に第２アームの水平方向の振動を検知し制振することが可能となる。
従って、より感度が高く、より正確に検出された角速度に基づいて第１駆動源および／または第２駆動源を駆動し、第２アームを制振することにより、益々高速化、高精度化に対するニーズが高まる水平多関節ロボットにおいて、より有効にアームの振動が抑制された水平多関節ロボットを提供することができる。

［適用例２］上記適用例にかかる水平多関節ロボットにおいて、角速度センサーは、第２アームを構成する底部基材の第２駆動源が取り付けられた面とは反対側の面に設置されることを特徴とする。

本適用例によれば、角速度センサーは、第２アームを構成する底部基材の第２駆動源が取り付けられた面とは反対側の面に設置されるため、角速度センサーが第２駆動源から受ける塵埃の影響をより少なくすることができる。

［適用例３］上記適用例にかかる水平多関節ロボットにおいて、角速度センサーは、第２アームを構成する底部基材に形成された凹部に設置されることを特徴とする。

本適用例によれば、角速度センサーは、第２アームを構成する底部基材に形成された凹部に設置されるため、角速度センサーは、第２アームを構成する底部基材から突出することなく設置することができる。その結果、第２アームの旋回をよりスムーズに行なうことが可能となる。

［適用例４］上記適用例にかかる水平多関節ロボットにおいて、角速度センサーは、第２アームを構成する底部基材に形成された貫通孔の内部に設置されることを特徴とする。

本適用例によれば、角速度センサーは、第２アームを構成する底部基材に形成された貫通孔の内部に設置されるため、角速度センサーは、第２アームを構成する底部基材から突出することなく設置することができる。その結果、第２アームの旋回をよりスムーズに行なうことが可能となる。また、貫通孔を通して角速度センサーへの配線を敷設することができるため、より簡便に第２アームを構成することができる。

実施形態に係る水平多関節ロボットの例を示す斜視図。 （ａ）第２アームの側面図、（ｂ）角速度センサー設置位置の第２アームの延在方向に直交する方向の断面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）角速度センサー設置位置を示す第２アーム側断面図。

以下に本発明を具体化した実施形態について、図面を参照して説明する。以下は、本発明の一実施形態であって、本発明を限定するものではない。なお、以下の各図においては、説明を分かりやすくするため、実際とは異なる尺度で記載している場合がある。

（実施形態）
まず、実施形態に係る水平多関節ロボットについて説明する。
図１は、実施形態に係る水平多関節ロボット１００の例を示す斜視図である。
水平多関節ロボット１００は、基台１、第１アーム１０、第１モーターユニット１１、第２アーム２０、第２モーターユニット２１、エンドエフェクター３０、エンドエフェクター駆動ユニット３１、ジャイロセンサーモジュール５０、コントローラー６０、電気配線６１などから構成される。

基台１は、第１アーム１０を回動させる第１駆動源としての第１モーターユニット１１などを内蔵し、床などに水平に設置される。なお、水平とは、通常の生活環境における床などの面と同等の水平度を言う。
第１アーム１０は、一方の端部が基台１の上端部において第１モーターユニット１１の駆動軸によって連結され、鉛直方向に沿う軸心を中心にして水平方向に回動する。

第２アーム２０は、第２駆動源としての第２モーターユニット２１やエンドエフェクター駆動ユニット３１などを内蔵している。また、第２アーム２０の一方の端部は、第１アーム１０の他方の端部と第２モーターユニット２１の駆動軸２１ｊによって連結され、鉛直方向に沿う軸心を中心にして水平方向に回動する。

第１モーターユニット１１および第２モーターユニット２１は、それぞれ回転角度の情報を検出するロータリーエンコーダーを備えている。
第１アーム１０および第２アーム２０は、鋳鉄などの金属材料で形成されており、その長さ方向及び旋回方向などに高い剛性を有している。
なお、本実施形態では、第２アーム２０は第１アーム１０に直接連結されているが、これに限定するものではなく、第２アーム２０を、第１アーム１０との間に複数のアームを介して連結する形態であっても良い。

エンドエフェクター３０は、エンドエフェクター駆動ユニット３１によってベルト（図示省略）を介し鉛直方向に沿って上下するスライド軸３２、その下端に備えるツール（図示省略）などから構成され、第２アーム２０の他方の端部に設置される。
第２アーム２０は、その一方の端部から他方の端部にかけて、第２モーターユニット２１、エンドエフェクター駆動ユニット３１などを含めてそれらの上部を覆うアームカバー２２を有している。アームカバー２２は、例えば樹脂材料で形成され、第２アーム２０内部を保護する一方、内部のベルトなどから発生する塵埃が周辺に飛散することを抑制する。

ジャイロセンサーモジュール５０は、角速度センサー５１、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）回路などから構成され、第２アーム２０の内部に設置される。
角速度センサー５１には、好適例として水晶型振動子を用いた振動型のジャイロスコープを用いている。
ジャイロセンサーモジュール５０は、角速度センサー５１が第２アーム２０の回動方向と同じ方向の動きにおける角速度が検出できるように取り付けられている。検出された角速度の情報は、電気配線６１を介してコントローラー６０に伝達される。

コントローラー６０は、所定のプログラムに従い、水平多関節ロボット１００全体を制御する。また、コントローラー６０は、ジャイロセンサーモジュール５０から入力される信号に基づいて、第２アーム２０の駆動による水平方向の振動が抑制されるように第１モーターユニット１１および／または第２モーターユニット２１の駆動を制御する。具体的には、コントローラー６０は、第１モーターユニット１１の回転角度および第２モーターユニット２１の回転角度をそれぞれのロータリーエンコーダーから取得する。また、ジャイロセンサーモジュール５０から第２アーム２０の角速度情報を取得する。コントローラー６０は、これらの情報に基づいて第１アーム１０の角速度を推定し、第２アーム２０の振動が抑制されるように第１モーターユニット１１および／または第２モーターユニット２１の駆動を制御する。

電気配線６１は、ジャイロセンサーモジュール５０からコントローラー６０に接続される信号線や第２モーターユニット２１およびエンドエフェクター駆動ユニット３１を駆動する電力線などをまとめた配管部材などから成り、第２アーム２０と基台１とを繋いでいる。

次に、角速度センサー５１（ジャイロセンサーモジュール５０）を取り付ける位置について説明する。
角速度センサー５１が検出する角速度に基づいて、第２アーム２０の振動をより効果的に抑制するためには、角速度センサー５１が第２アーム２０の振動を感度良く、また正確に検出する必要がある。また、検出する振動は、制振すべき目的位置の振動であることが望ましい。一般的に、物体の挙動は、重心位置の質点の挙動として扱うことができる。従って、重心位置により近い部位の振動を検出することで、より有効な制振パラメーターが導出できる。

図２（ａ）は、第２アーム２０の側面図、図２（ｂ）は、角速度センサー設置位置の第２アーム２０の延在方向に直交する方向の断面図である。
第２アーム２０は、底部基材２０ａ、側部基材２０ｂなどで構成され、その長さ方向および旋回方向などに高い剛性を有している。
図２（ａ），（ｂ）において、Ｊは、第２アーム２０の重心の位置（以下重心Ｊ）を示している。また、図２（ａ），（ｂ）において、第２モーターユニット２１の駆動軸２１ｊの回動軸心Ａから第２アーム２０先端までの長さをＬ１とし、回動軸心Ａから角速度センサー５１の設置位置Ｂまでの距離をＬ２とし、第２アーム２０の重心Ｊから角速度センサー５１の設置位置Ｂまでの距離をＬ３とする。

この場合において、水平多関節ロボット１００に搭載する角速度センサー５１の設置位置Ｂは、Ｌ２＞０．５Ｌ１かつＬ３＜０．２Ｌ１を満たす位置としている。
具体的には、角速度センサー５１を搭載するジャイロセンサーモジュール５０の設置位置を上記の関係が満たされる位置となるようにし、ジャイロセンサーモジュール５０を堅固に底部基材２０ａなどに固定している。

以上述べたように、本実施形態による水平多関節ロボット１００によれば、以下の効果を得ることができる。
第２アーム２０に取り付ける角速度センサー５１の設置位置ＢをＬ２＞０．５Ｌ１とすることにより、角速度センサー５１の設置位置が回動軸心Ａからより離れる位置となるため、より感度良く第２アーム２０の水平方向の振動を検知することが可能となる。また、第２アーム２０に取り付ける角速度センサー５１の設置位置Ｂを、コントロールすべき重心Ｊの位置により近いＬ３＜０．２Ｌ１とすることにより、より正確に第２アーム２０の水平方向の振動を検知し制振することが可能となる。
従って、より感度が高く、より正確に検出された角速度に基づいて第１モーターユニット１１および／または第２モーターユニット２１を駆動し、第２アーム２０を制振することにより、益々高速化、高精度化に対するニーズが高まる水平多関節ロボットにおいて、より有効にアームの振動が抑制された水平多関節ロボットを提供することができる。

なお、ジャイロセンサーモジュール５０の固定は、図２（ｂ）に示すように、スペーサー５３などを介して底部基材２０ａなどに固定しても良いが、以下の実施例に示すように固定することが好ましい。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、角速度センサー５１を搭載するジャイロセンサーモジュール５０の設置位置の例を示す第２アーム側断面図である。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）では、内蔵する部材の多くを省略して示している。
（実施例１）
実施例１を図３（ａ）に示す。
本実施例では、上述した位置関係を満たす範囲で、ジャイロセンサーモジュール５０を直接底部基材２０ａの裏面（下面）に固定している。この実施例では、ジャイロセンサーモジュール５０が、底部基材２０ａから下方向に突出して第２アーム２０の回動を妨げることが無いように、底部基材２０ａに凹部２０ｄを形成してジャイロセンサーモジュール５０を埋め込むように設置している。なお、ジャイロセンサーモジュール５０への信号線などの電気配線や、底部基材２０ａとの電気的絶縁については、適宜考慮する必要がある。

本実施例によれば、角速度センサー５１を搭載するジャイロセンサーモジュール５０は、第２アーム２０を構成する底部基材２０ａ裏面に設置されるため、角速度センサー５１が第２アーム２０に内蔵される第２モーターユニット２１やエンドエフェクター駆動ユニット３１、ベルトなどから受ける塵埃の影響をより少なくすることができる。

また、ジャイロセンサーモジュール５０は、第２アーム２０を構成する底部基材２０ａに形成された凹部２０ｄに設置されるため、ジャイロセンサーモジュール５０は、第２アーム２０を構成する底部基材２０ａから突出することなく設置することができる。その結果、第２アーム２０の旋回をよりスムーズに行なうことが可能となる。

（実施例２）
実施例２を図３（ｂ）に示す。
本実施例では、上述した位置関係を満たす範囲で、ジャイロセンサーモジュール５０を直接底部基材２０ａに形成した貫通孔２０ｈの内部に設置している。この実施例では、ジャイロセンサーモジュール５０を貫通孔２０ｈの内部に固定されるように、フレーム２４を介して底部基材２０ａに固定している。

本実施例によれば、ジャイロセンサーモジュール５０は、第２アーム２０を構成する底部基材２０ａに形成された貫通孔２０ｈの内部に設置されるため、ジャイロセンサーモジュール５０は、第２アーム２０を構成する底部基材２０ａから突出することなく設置することができる。その結果、第２アーム２０の旋回をよりスムーズに行なうことが可能となる。また、貫通孔２０ｈを通してジャイロセンサーモジュール５０への配線を敷設することができるため、より簡便に第２アーム２０を構成することができる。

（実施例３）
実施例３を図３（ｃ）に示す。
本実施例では、上述した位置関係を満たす範囲で、ジャイロセンサーモジュール５０を直接底部基材２０ａの表面（上面）に固定している。この実施例では、ジャイロセンサーモジュール５０が、底部基材２０ａから下方向に突出して第２アーム２０の回動を妨げることが無い。また、角速度センサー５１への配線をより簡便に敷設することができる。

１…基台、１０…第１アーム、１１…第１モーターユニット、２０…第２アーム、２０ａ…底部基材、２０ｂ…側部基材、２０ｄ…凹部、２０ｈ…貫通孔、２１…第２モーターユニット、２１ｊ…駆動軸、２２…アームカバー、２４…フレーム、３０…エンドエフェクター、３１…エンドエフェクター駆動ユニット、３２…スライド軸、５０…ジャイロセンサーモジュール、５１…角速度センサー、５３…スペーサー、６０…コントローラー、６１…電気配線、１００…水平多関節ロボット。

Claims (4)

1. 基台に連結される第１アームと、
   少なくとも前記第１アームを介して前記基台に連結される第２アームと、
   前記基台に内蔵されて前記第１アームを水平方向に回動する第１駆動源と、
   前記第２アームに内蔵されて前記第２アームを水平方向に回動する第２駆動源と、
   前記第２アームに設置された角速度センサーと、を備え、
   前記第２アームが前記第２駆動源によって回動する回動軸心Ａから前記第２アーム先端までの長さをＬ１とし、前記回動軸心Ａから前記角速度センサーの設置位置Ｂまでの距離をＬ２とし、前記第２アームの重心Ｊから前記設置位置Ｂまでの距離をＬ３としたときに、
   前記設置位置Ｂは、Ｌ２＞０．５Ｌ１かつＬ３＜０．２Ｌ１を満たし、
   前記角速度センサーより得られた角速度に基づいて前記第１駆動源および／または前記第２駆動源を駆動し、前記第２アームを制振することを特徴とする水平多関節ロボット。
2. 前記角速度センサーは、前記第２アームを構成する底部基材の前記第２駆動源が取り付けられた面とは反対側の面に設置されることを特徴とする請求項１に記載の水平多関節ロボット。
3. 前記角速度センサーは、前記第２アームを構成する底部基材に形成された凹部に設置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水平多関節ロボット。
4. 前記角速度センサーは、前記第２アームを構成する底部基材に形成された貫通孔の内部に設置されることを特徴とする請求項１に記載の水平多関節ロボット。

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