重力補償機構(gòu)及機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種重力補償轉(zhuǎn)矩特性的設(shè)計自由度較高的重力補償機構(gòu)(30)及機器人(10)。重力補償機構(gòu)(30)具備：第一非圓齒輪(31)，其圍繞機器人(10)的臂部(14)的旋轉(zhuǎn)軸(L)、與臂部(14)一起旋轉(zhuǎn)；第二非圓齒輪(32)，其由第一非圓齒輪(31)驅(qū)動；以及伸縮體(34)，其一個端部與第二非圓齒輪(32)進行連接，并且隨著第二非圓齒輪(32)的旋轉(zhuǎn)進行伸縮從而產(chǎn)生力。
【專利說明】重力補償機構(gòu)及機器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及重力補償機構(gòu)及機器人。

【背景技術(shù)】
[0002]在專利文獻I中記載了一種重力平衡裝置，所述重力平衡裝置用于在臂裝置中、在較寬的動作范圍內(nèi)使驅(qū)動電機所需的轉(zhuǎn)矩減小，沿著多關(guān)節(jié)型機器人等的重力作用方向來驅(qū)動所述臂裝置。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開平5-69378號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的問題
[0007]在這里，人們一般希望能夠按照設(shè)計人員的意圖，來設(shè)定重力補償機構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩特性(重力補償轉(zhuǎn)矩特性)。
[0008]本發(fā)明的目的是，提供一種重力補償轉(zhuǎn)矩特性的設(shè)計自由度較高的重力補償機構(gòu)及機器人。
[0009]用于解決問題的方法
[0010]為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個觀點，適用如下的重力補償機構(gòu)，所述重力補償機構(gòu)具備:第一非圓齒輪，其圍繞機器人的臂部的旋轉(zhuǎn)軸、與所述臂部一起旋轉(zhuǎn)；第二非圓齒輪，其由所述第一非圓齒輪驅(qū)動；以及伸縮體，其一個端部與所述第二非圓齒輪進行連接，并且隨著所述第二非圓齒輪的旋轉(zhuǎn)進行伸縮從而產(chǎn)生力。
[0011]另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個觀點，適用具備如下重力補償機構(gòu)的機器人，所述重力補償機構(gòu)具有:第一非圓齒輪，其圍繞所述機器人的臂部的旋轉(zhuǎn)軸、與所述臂部一起旋轉(zhuǎn)；第二非圓齒輪，其由所述第一非圓齒輪驅(qū)動；以及伸縮體，其一個端部與所述第二非圓齒輪進行連接，并且隨著所述第二非圓齒輪的旋轉(zhuǎn)進行伸縮從而產(chǎn)生力。
[0012]發(fā)明效果
[0013]根據(jù)本發(fā)明，重力補償轉(zhuǎn)矩特性的設(shè)計自由度較高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的第一實施例涉及的機器人的說明圖。
[0015]圖2是對所述機器人具有的重力補償機構(gòu)進行模式化的基本結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3是表示所述機器人具有的重力補償機構(gòu)的第二非圓齒輪的變形例的說明圖。
[0017]圖4A是表示所述機器人的動作的第一說明圖。
[0018]圖4B是表示所述機器人的動作的第二說明圖。
[0019]圖4C是表示所述機器人的動作的第三說明圖。
[0020]圖5是表示所述機器人具有的重力補償機構(gòu)的非圓齒輪的減速比的說明圖。
[0021]圖6A是表示所述機器人具有的重力補償機構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)例的說明圖。
[0022]圖6B是表示所述機器人具有的重力補償機構(gòu)的第二結(jié)構(gòu)例的說明圖。
[0023]圖7A是表示所述機器人被懸掛在天花板上的說明圖。
[0024]圖7B是表示所述機器人被掛在墻上的說明圖。
[0025]圖8是從正面觀察本發(fā)明的第二實施例涉及的機器人的說明圖。

【具體實施方式】
[0026]以下參照附圖，對本發(fā)明的具體的實施例進行說明，以便理解本發(fā)明。此外，在各個圖中，有時會省略與說明不相關(guān)的部分的圖示。
[0027]<第一實施例>
[0028]本發(fā)明的第一實施例涉及的機器人10例如是圖1所示的六軸的工業(yè)用機器人。
[0029]機器人10具備:在成為設(shè)置面的地面F上所設(shè)的回轉(zhuǎn)部12、第一臂部14、第二臂部16、第三臂部18、手腕部22以及凸緣部24。另外，機器人10具有重力補償機構(gòu)30。
[0030]回轉(zhuǎn)部12能夠圍繞回轉(zhuǎn)軸(旋轉(zhuǎn)軸)S進行旋轉(zhuǎn)，所述回轉(zhuǎn)軸S在與地面F交叉的方向上延伸。
[0031]第一臂部14的一個端部設(shè)置在回轉(zhuǎn)部12上，所述第一臂部14能夠圍繞旋轉(zhuǎn)軸L進行旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸L與地面F平行。
[0032]第二臂部16的一個端部設(shè)置在第一臂部14的前端部上，所述第二臂部16能夠圍繞旋轉(zhuǎn)軸U進行旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸U與旋轉(zhuǎn)軸L平行。
[0033]第三臂部18的一個端部設(shè)置在第二臂部16的前端部上，所述第三臂部18能夠圍繞旋轉(zhuǎn)軸R進行旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸R在第二臂部16的長度方向上延伸。
[0034]手腕部22的一個端部設(shè)置在第三臂部18的前端部上，所述手腕部22能夠圍繞旋轉(zhuǎn)軸B進行旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸B與第三臂部18的長度方向交叉。
[0035]凸緣部24能夠圍繞沿手腕部22的長度方向延伸的旋轉(zhuǎn)軸T進行旋轉(zhuǎn)。
[0036]圖1是從側(cè)面觀察機器人10的圖，在所述圖1中記載的箭頭表示:各個軸的旋轉(zhuǎn)方向。通過使用伺服電機等的公知的控制系統(tǒng)，對各個軸的旋轉(zhuǎn)動作進行控制。另外，為了方便說明，將圖1中的紙面的右手方向定義為機器人的前方、將紙面的左手方向定義為機器人的后方。
[0037]如圖2所示，重力補償機構(gòu)30具有:第一非圓齒輪31，其成為驅(qū)動側(cè)的齒輪；第二非圓齒輪32，其成為從動側(cè)的齒輪；以及伸縮體34。此外，在圖2中，關(guān)于第一臂部14、第二臂部16、第三臂部18、手腕部22以及凸緣部24，將整體作為一個臂AM進行示意性表示，并且與臂AM的重心CG —起表示。另外，各個齒輪是示意性地繪制的齒輪，并且以省略齒的方式來表各個齒輪。
[0038]第一非圓齒輪31例如是橢圓形狀。第一非圓齒輪31以圍繞第一臂部14的旋轉(zhuǎn)軸L、與第一臂部14 一起旋轉(zhuǎn)的方式構(gòu)成。從正面觀察第一非圓齒輪31 (從第一非圓齒輪31的旋轉(zhuǎn)軸L延伸的方向觀察)時，旋轉(zhuǎn)軸L穿過了從第一非圓齒輪31的中央部偏移的位置。
[0039]第二非圓齒輪32例如是橢圓形狀。第二非圓齒輪32與第一非圓齒輪31嚙合，并且由第一非圓齒輪31驅(qū)動。第二非圓齒輪32能夠圍繞設(shè)置在回轉(zhuǎn)部12上的連結(jié)軸CAXl進行旋轉(zhuǎn)。從正面觀察第二非圓齒輪32 (從第二非圓齒輪32的旋轉(zhuǎn)軸即連結(jié)軸CAXl延伸的方向觀察)時，將連結(jié)軸CAXl配置成從第二非圓齒輪32的中央部偏移。
[0040]伸縮體34隨著第二非圓齒輪32的旋轉(zhuǎn)進行伸縮，并且能夠在伸縮方向上產(chǎn)生力。作為伸縮體34的一個例子，可列舉出螺旋彈簧及空氣彈簧。
[0041]伸縮體34的一個端部經(jīng)由設(shè)置在第二非圓齒輪32上的連結(jié)軸CAX2，以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與第二非圓齒輪32進行連接。從正面觀察第二非圓齒輪32時，將連結(jié)軸CAX2配置在從第二非圓齒輪32的中央部偏移的位置、并且在隔著該中央部與連結(jié)軸CAXl相反一側(cè)的位置上。
[0042]此外，如圖3所示，也可以為如下的方式:第二非圓齒輪32具有連接構(gòu)件36，并且在連接構(gòu)件36的前端部上設(shè)置有連結(jié)軸CAX2。即、伸縮體34的一個端部可以經(jīng)由設(shè)置在連接構(gòu)件36上的連結(jié)軸CAX2、以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與第二非圓齒輪32進行連接。
[0043]伸縮體34的另一個端部經(jīng)由設(shè)置在回轉(zhuǎn)部12上的連結(jié)軸CAX3、以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與回轉(zhuǎn)部12進行連接。
[0044]下面，對機器人10的動作進行說明。
[0045]如圖4A所示，將第二非圓齒輪32和伸縮體34配置成，在臂AM的重心CG位于旋轉(zhuǎn)軸L的正上方的情況下、換句話說在不需要產(chǎn)生圍繞旋轉(zhuǎn)軸L的重力補償轉(zhuǎn)矩的情況下，使第二非圓齒輪32的連結(jié)軸CAXl與連結(jié)軸CAX2以及連結(jié)軸CAX3排成一條直線，所述連結(jié)軸CAX3設(shè)置在回轉(zhuǎn)部12上。在這種情況下，伸縮體34在穿過了連結(jié)軸CAXl及連結(jié)軸CAX2的直線方向上、產(chǎn)生牽引連結(jié)軸CAX2的力F1。但是，該力Fl不作為使第一非圓齒輪31旋轉(zhuǎn)的力而發(fā)揮作用。因此，不會經(jīng)由第二非圓齒輪32而在第一非圓齒輪31上產(chǎn)生圍繞旋轉(zhuǎn)軸L的重力補償轉(zhuǎn)矩。
[0046]另外，如圖4B所示，當臂AM向后方傾斜時，因施加在重心CG上的重力而圍繞旋轉(zhuǎn)軸L產(chǎn)生重力轉(zhuǎn)矩Tcg2。另一方面，第一非圓齒輪31沿著上述圖中的逆時針方向進行旋轉(zhuǎn)，第二非圓齒輪32沿著順時針方向進行旋轉(zhuǎn)，由此對伸縮體34進行拉伸。拉伸后的伸縮體34產(chǎn)生如抗拒第二非圓齒輪32旋轉(zhuǎn)那樣的力F2。該力F2經(jīng)由第二非圓齒輪32而圍繞旋轉(zhuǎn)軸L產(chǎn)生重力補償轉(zhuǎn)矩T2。重力補償轉(zhuǎn)矩T2起如下作用:消除圍繞旋轉(zhuǎn)軸L產(chǎn)生的重力轉(zhuǎn)矩Tcg2，并且使作用于臂AM的力保持平衡。
[0047]另外，如圖4C所示，當臂AM向前方傾斜時，因施加在重心CG上的重力而圍繞旋轉(zhuǎn)軸L產(chǎn)生重力轉(zhuǎn)矩Tcg3。另一方面，第一非圓齒輪31沿著上述圖中的順時針方向進行旋轉(zhuǎn)，第二非圓齒輪32沿著逆時針方向進行旋轉(zhuǎn)，由此對伸縮體34進行拉伸。拉伸后的伸縮體34產(chǎn)生如抗拒第二非圓齒輪32旋轉(zhuǎn)那樣的力F3。該力F3經(jīng)由第二非圓齒輪32而圍繞旋轉(zhuǎn)軸L產(chǎn)生重力補償轉(zhuǎn)矩T3。重力補償轉(zhuǎn)矩T3起如下作用:消除圍繞旋轉(zhuǎn)軸L產(chǎn)生的重力轉(zhuǎn)矩Tcg3，并且使作用于臂AM的力保持平衡。
[0048]在這里，如圖5所示，因第一非圓齒輪31及第二非圓齒輪32的旋轉(zhuǎn)位置，減速比變成al:bl?a2:b2。通過適當?shù)卦O(shè)計兩個齒輪31、32的齒輪節(jié)線，就能夠改變該第一非圓齒輪31及第二非圓齒輪32的旋轉(zhuǎn)位置與減速比的關(guān)系。
[0049]因此，如果可以確定旋轉(zhuǎn)位置與減速比的關(guān)系以滿足重力補償機構(gòu)30所需求的輸出轉(zhuǎn)矩特性(重力補償轉(zhuǎn)矩特性)，則設(shè)計人員能夠設(shè)計第一非圓齒輪31及第二非圓齒輪32的形狀。換句話說，由于設(shè)計人員通過改變第一非圓齒輪31及第二非圓齒輪32的形狀，就能夠改變重力補償轉(zhuǎn)矩特性，所以可以確保關(guān)于重力補償轉(zhuǎn)矩特性的較高的設(shè)計自由度。
[0050]另外，重力補償機構(gòu)30使用了第一及第二非圓齒輪31、32，其結(jié)構(gòu)簡單，因此可靠性高。
[0051]針對本實施例所示的重力補償機構(gòu)30，能夠想到如下的各種結(jié)構(gòu)例。
[0052]作為第一結(jié)構(gòu)例，可以列舉如圖6A所示的重力補償機構(gòu)30a。重力補償機構(gòu)30a的伸縮體34的一個端部，由導(dǎo)向件42沿著伸縮體34的長度方向進行引導(dǎo)，并且經(jīng)由連桿44與第二非圓齒輪32進行連接。伸縮體34的另一個端部被固定在回轉(zhuǎn)部12上。此外，連桿44的一個端部經(jīng)由連結(jié)軸CAX5與伸縮體34的一個端部進行連接。連桿44的另一個端部經(jīng)由連結(jié)軸CAX2與第二非圓齒輪32進行連接。
[0053]因此，由于第二非圓齒輪32的旋轉(zhuǎn)經(jīng)由連桿44而被傳遞到伸縮體34，所以，伸縮體34根據(jù)臂AM的傾斜進行伸縮。其結(jié)果為，重力補償機構(gòu)30a能夠輸出預(yù)先規(guī)定的特性的重力補償轉(zhuǎn)矩。
[0054]作為第二結(jié)構(gòu)例，可以列舉如圖6B所示的重力補償機構(gòu)30b。
[0055]重力補償機構(gòu)30b的伸縮體34的一個端部不經(jīng)由連結(jié)軸、而與第二非圓齒輪32的中央部進行連接，整個伸縮體34隨著第二非圓齒輪32的旋轉(zhuǎn)而圍繞連結(jié)軸CAXl進行旋轉(zhuǎn)(參照圖6B所示的箭頭)。伸縮體34的另一個端部經(jīng)由連結(jié)軸CAX6與連桿46的一個端部進行連接。連桿46的另一個端部經(jīng)由連結(jié)軸CAX7與回轉(zhuǎn)部12進行連接。
[0056]因此，與第二非圓齒輪32 —起旋轉(zhuǎn)的伸縮體34的長度，因第二非圓齒輪32的旋轉(zhuǎn)位置(連桿46的姿態(tài))而發(fā)生變化。即、由于伸縮體34根據(jù)臂AM的傾斜進行伸縮，所以，重力補償機構(gòu)30b能夠輸出預(yù)先規(guī)定的特性的重力補償轉(zhuǎn)矩。
[0057]如圖7A所示，機器人也可以是將回轉(zhuǎn)部12設(shè)置在天花板表面C上的、所謂的懸掛式的機器人10a。另外，如圖7B所示，機器人也可以是將回轉(zhuǎn)部12設(shè)置在墻面W上的、所謂的掛墻式的機器人10b。
[0058]<第二實施例>
[0059]接下來，對本發(fā)明的第二實施例涉及的機器人100進行說明。關(guān)于與第一實施例涉及的機器人10相同的結(jié)構(gòu)要素，使用相同的附圖標記并省略了詳細的說明。
[0060]機器人100是例如如圖8所示的六軸的工業(yè)用機器人。
[0061]機器人100的回轉(zhuǎn)部112設(shè)置在墻面上，并且能夠圍繞回轉(zhuǎn)軸S進行回轉(zhuǎn)，所述回轉(zhuǎn)軸S與鉛垂軸交叉。即、機器人100是掛墻式的機器人。圖8是表示正對著墻壁進行觀察的、機器人100被掛在墻上的狀態(tài)的圖。
[0062]在第一實施例中，應(yīng)用了圍繞旋轉(zhuǎn)軸L的重力補償機構(gòu)30，而在第二實施例中，應(yīng)用了圍繞回轉(zhuǎn)軸S的重力補償機構(gòu)130。
[0063]重力補償機構(gòu)130具有:第一非圓齒輪131，其是驅(qū)動側(cè)的齒輪；第二非圓齒輪132，其是從動側(cè)的齒輪；以及伸縮體134。
[0064]第一非圓齒輪131例如是橢圓形狀，所述第一非圓齒輪131以圍繞回轉(zhuǎn)部112的回轉(zhuǎn)軸S、與回轉(zhuǎn)部112 —起旋轉(zhuǎn)的方式構(gòu)成。從正面觀察第一非圓齒輪131時，回轉(zhuǎn)軸S穿過了從第一非圓齒輪131的中央部偏移的位置。
[0065]第二非圓齒輪132例如是橢圓形狀，所述第二非圓齒輪132與第一非圓齒輪131嚙合，并且由第一非圓齒輪131驅(qū)動。第二非圓齒輪32能夠圍繞連結(jié)軸CAXll進行旋轉(zhuǎn)。從正面觀察第二非圓齒輪132時，將連結(jié)軸CAXll配置成從第二非圓齒輪132的中央部偏移。另外，將連結(jié)軸CAXll設(shè)置在固定構(gòu)件140上，所述固定構(gòu)件140被固定在成為設(shè)置面的墻面上。
[0066]伸縮體134隨著第二非圓齒輪132的旋轉(zhuǎn)進行伸縮，并且能夠在伸縮方向上產(chǎn)生力。作為伸縮體134的一個例子，可列舉出螺旋彈簧及空氣彈簧。
[0067]伸縮體134的一個端部經(jīng)由設(shè)置在第二非圓齒輪132上的連結(jié)軸CAX12、以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與第二非圓齒輪132進行連接。從正面觀察第二非圓齒輪132時，將連結(jié)軸CAX12配置在從第二非圓齒輪132的中央部偏移的位置、并且在隔著該中央部與連結(jié)軸CAXll相反一側(cè)的位置上，將連結(jié)軸CAX12設(shè)置在連接構(gòu)件136上，所述連接構(gòu)件136被固定在第二非圓齒輪132上。
[0068]伸縮體134的另一個端部經(jīng)由設(shè)置在固定構(gòu)件140上的連結(jié)軸CAX13、以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與固定構(gòu)件140進行連接。
[0069]當回轉(zhuǎn)部112進行回轉(zhuǎn)時，從回轉(zhuǎn)軸S的軸方向觀察，臂的重心位置根據(jù)回轉(zhuǎn)角度而發(fā)生變化。其結(jié)果為，因施加在重心上的重力而圍繞回轉(zhuǎn)軸S產(chǎn)生重力轉(zhuǎn)矩。這時，由于隨著回轉(zhuǎn)部112的回轉(zhuǎn)，伸縮體134進行伸縮而產(chǎn)生力，所以，重力補償機構(gòu)130能夠產(chǎn)生如消除重力轉(zhuǎn)矩那樣的重力補償轉(zhuǎn)矩。
[0070]由于重力補償機構(gòu)130具有第一非圓齒輪131及第二非圓齒輪132，所以，通過改變這些非圓齒輪的形狀，可以確保關(guān)于重力補償轉(zhuǎn)矩特性的較高的設(shè)計自由度。
[0071]此外，本發(fā)明并不限于前面所述的實施例，在不改變本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)能夠進行變更。例如，本發(fā)明的技術(shù)范圍還包括將前面所述的實施例、變形例的一部分或全部進行組合而構(gòu)成發(fā)明的情況。
[0072]在前面所述的實施例中，機器人并不限于六軸的工業(yè)用機器人。機器人的關(guān)節(jié)個數(shù)可以是任意的。重力補償機構(gòu)例如也能夠應(yīng)用于類人機器人的臂部或腳部。
[0073]附圖標記的說明
[0074]1UOaUOb:機器人；12:回轉(zhuǎn)部；14:第一臂部；16:第二臂部；18:第三臂部；22:手腕部；24:凸緣部；30:重力補償機構(gòu)；30a:重力補償機構(gòu)；30b:重力補償機構(gòu)；31:第一非圓齒輪；32:第二非圓齒輪；34:伸縮體；36:連接構(gòu)件；42:導(dǎo)向件;44、46:連桿；100:機器人；112:回轉(zhuǎn)部；130:重力補償機構(gòu)；131:第一非圓齒輪；132:第二非圓齒輪；134:伸縮體；136:連接構(gòu)件；140:固定構(gòu)件；AM:臂；C:天花板表面；CAX1:連結(jié)軸；CAX2:連結(jié)軸；CAX3:連結(jié)軸；CAX5:連結(jié)軸；CAX6:連結(jié)軸；CAX7:連結(jié)軸；CAX11:連結(jié)軸；CAX12:連結(jié)軸；CAX13:連結(jié)軸；CG:重心；F:地面；S:回轉(zhuǎn)軸；L、U、R、B、T:旋轉(zhuǎn)軸；W:墻面。
【權(quán)利要求】
1.一種重力補償機構(gòu)，具備: 第一非圓齒輪，其圍繞機器人的臂部的旋轉(zhuǎn)軸、與所述臂部一起旋轉(zhuǎn)； 第二非圓齒輪，其由所述第一非圓齒輪驅(qū)動；以及 伸縮體，其一個端部與所述第二非圓齒輪進行連接，并且隨著所述第二非圓齒輪的旋轉(zhuǎn)進行伸縮從而產(chǎn)生力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力補償機構(gòu)，其特征在于， 所述伸縮體是螺旋彈簧。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力補償機構(gòu)，其特征在于， 所述伸縮體是空氣彈簧。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的重力補償機構(gòu)，其特征在于， 所述機器人具有回轉(zhuǎn)部，所述回轉(zhuǎn)部圍繞與鉛垂軸交叉的回轉(zhuǎn)軸進行回轉(zhuǎn)， 設(shè)置所述回轉(zhuǎn)部來代替所述臂部， 設(shè)置所述回轉(zhuǎn)部的回轉(zhuǎn)軸來代替所述臂部的旋轉(zhuǎn)軸。
5.一種機器人，所述機器人具備重力補償機構(gòu)， 所述重力補償機構(gòu)具有: 第一非圓齒輪，其圍繞所述機器人的臂部的旋轉(zhuǎn)軸、與所述臂部一起旋轉(zhuǎn)； 第二非圓齒輪，其由所述第一非圓齒輪驅(qū)動；以及 伸縮體，其一個端部與所述第二非圓齒輪進行連接，并且隨著所述第二非圓齒輪的旋轉(zhuǎn)進行伸縮從而產(chǎn)生力。
【文檔編號】B25J19/00GK104245250SQ201280072627
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月24日
【發(fā)明者】山口剛 申請人:株式會社安川電機