特許 7601888 バランサおよびロボットシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】バランサおよびロボットシステム

(51)【国際特許分類】

   B25J 19/00 20060101AFI20241210BHJP

   B25J 19/06 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

B25J19/00 D

B25J19/06

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022550539

(86)(22)【出願日】2021-09-13

(86)【国際出願番号】 JP2021033466

(87)【国際公開番号】W WO2022059632

(87)【国際公開日】2022-03-24

【審査請求日】2023-04-05

(31)【優先権主張番号】P 2020156358

(32)【優先日】2020-09-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(72)【発明者】

【氏名】神保 亮平

【審査官】松浦 陽

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－０９０４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０８６０５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１０－２２５８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２２８８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２６２５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０１０５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１８８５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９３５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８５８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－０６１１８８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０５－０３１６８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００ － ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１部材と、該第１部材に対して回転軸線回りに回転駆動される第２部材とを備えるロボットの前記第１部材または前記第２部材の一方に、第１軸受によって、前記回転軸線に平行な第１取付軸線回りに回転可能に取り付けられるハウジングと、
前記第１部材または前記第２部材の他方に、第２軸受によって、前記回転軸線に平行な第２取付軸線回りに回転可能に一端が取り付けられるロッドと、
該ロッドを前記ハウジング内に引き込む方向または前記ハウジングから押し出す方向の力を発生させる力発生手段と、
前記第１取付軸線および前記第２取付軸線に直交する方向における前記第１取付軸線と前記ハウジングとの位置関係および前記第２取付軸線と前記ロッドとの位置関係の少なくとも１つを検出するセンサとを備えるバランサ。

【請求項2】

前記ハウジングが、筒状の本体部と、該本体部の軸方向の一端を閉塞する端板とを備え、
前記本体部内に配置される前記ロッドの他端に固定された可動部材を備え、
前記力発生手段が、前記端板と前記可動部材との間に配置された圧縮コイルバネである請求項１に記載のバランサ。

【請求項3】

前記センサが、距離を検出する距離センサである請求項１または請求項２に記載のバランサ。

【請求項4】

前記センサが、前記位置関係が所定の状態となったことを検出するスイッチである請求項１または請求項２に記載のバランサ。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれかに記載のバランサを備えるロボットと、
前記第１部材と前記第２部材とが特定の相対位置に配置されている状態における、前記センサにより検出された前記位置関係と正常時における前記位置関係との差分が、所定の閾値を超えている場合に、異常状態が発生したことを報知する報知部とを備えるロボットシステム。

【請求項6】

第１部材と、該第１部材に対して回転軸線回りに回転駆動される第２部材とを備えるロボットの前記第１部材または前記第２部材の一方に、第１軸受によって、前記回転軸線に平行な第１取付軸線回りに回転可能に取り付けられるハウジングと、
前記第１部材または前記第２部材の他方に、第２軸受によって、前記回転軸線に平行な第２取付軸線回りに回転可能に一端が取り付けられるロッドと、
該ロッドを前記ハウジング内に引き込む方向または前記ハウジングから押し出す方向の力を発生させる力発生手段と、
前記第１取付軸線および前記第２取付軸線に直交する方向における前記ハウジングと前記ロッドとの位置関係を検出するセンサとを備えるバランサと、
前記位置関係に基づき前記第１軸受および前記第２軸受の損傷および摩耗を検出する手段とを備えるロボットシステム。

【請求項7】

前記ハウジングが、筒状の本体部と、該本体部の軸方向の一端を閉塞する端板とを備え、
前記本体部内に配置される前記ロッドの他端に固定された可動部材を備え、
前記力発生手段が、前記端板と前記可動部材との間に配置された圧縮コイルバネである請求項６に記載のロボットシステム。

【請求項8】

前記センサが、距離を検出する距離センサである請求項６または請求項７に記載のロボットシステム。

【請求項9】

前記センサが、前記位置関係が所定の状態となったことを検出するスイッチである請求項６または請求項７に記載のロボットシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、バランサおよびロボットシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ロボットの旋回胴と、水平な第１軸線回りに旋回胴に対して回転駆動される第１アームとの間に配置され、第１アームに作用する重力負荷を補償するためのバランサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このバランサを備えるロボットにおいては、旋回胴に対して第１アームを回転駆動するモータの電流値を監視して、バランサの発生力の低下を検出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－１９５８４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

バランサは第１軸線に平行な軸線回りに、軸受によって回転可能に、第１アームおよび旋回胴にそれぞれ取り付けられる。バランサの発生力は軸受を経由して第１アームおよび旋回胴に伝達され重力負荷を補償するための補助トルクを発生する。

【0005】

ロボットの稼働時間が長くなり、バランサの発生力を支持する軸受に損傷および摩耗が進行すると、バランサの取付部品、旋回胴あるいは第１アームが損傷する虞があるので、軸受の損傷あるいは摩耗を早期に検出する必要がある。しかし、軸受が損傷あるいは摩耗しても、モータの電流値は大きく変動せず、モータの電流値によって軸受の異常を検出することはできない。
したがって、軸受の損傷あるいは摩耗を早期に検出することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様は、第１部材と、該第１部材に対して回転軸線回りに回転駆動される第２部材とを備えるロボットの前記第１部材または前記第２部材の一方に、第１軸受によって、前記回転軸線に平行な第１取付軸線回りに回転可能に取り付けられるハウジングと、前記第１部材または前記第２部材の他方に、第２軸受によって、前記回転軸線に平行な第２取付軸線回りに回転可能に一端が取り付けられるロッドと、該ロッドを前記ハウジング内に引き込む方向または前記ハウジングから押し出す方向の力を発生させる力発生手段と、前記第１取付軸線および前記第２取付軸線に直交する方向における前記第１取付軸線と前記ハウジングとの位置関係および前記第２取付軸線と前記ロッドとの位置関係の少なくとも１つを検出するセンサとを備えるバランサである。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示の一実施形態に係るロボットシステムを示す全体構成図である。

【図2】本開示の一実施形態に係るバランサを示す縦断面図である。

【図3】図２のバランサのハウジングと第１シャフトとを回転可能に支持する軸受の摩耗によるハウジングの移動方向を説明する部分的な縦断面図である。

【図4】図２のバランサのロッドと第２シャフトとを回転可能に支持する軸受の摩耗によるロッドの移動方向を説明する部分的な縦断面図である。

【図5】図２のバランサにおいてセンサにより検出される距離と正常時の距離との差分を説明する縦断面図である。

【図6】図２のバランサの変形例を示す縦断面図である。

【図7】図２のバランサにおけるセンサの配置の変形例を示す縦断面図である。

【図8】図２のバランサにおけるセンサの変形例を示す縦断面図である。

【図9】図２のバランサにおけるセンサの他の変形例を示す縦断面図である。

【図10】図２のバランサにおけるセンサの配置の変形例を示す縦断面図である。

【図11】図２のバランサにおけるセンサ代えて、ハウジングと第１取付軸線との距離を検出するセンサの配置例を示す部分的な縦断面図である。

【図12】図２のバランサにおけるセンサ代えて、ロッドと第２取付軸線との距離を検出するセンサの配置例を示す部分的な縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本開示の一実施形態に係るバランサ１およびロボットシステム１００について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１００は、図１に示されるように、ロボット１１０と、ロボット１１０を制御する制御装置１２０とを備えている。

【0009】

ロボット１１０は、例えば、垂直６軸多関節型のロボットである。ロボット１１０は、床面Ｆに設置されるベース１１１と、鉛直方向に延びる第１軸線Ａ回りにベース１１１に対して回転可能な旋回胴（第１部材）１１２と、水平な第２軸線（回転軸線）Ｂ回りに旋回胴１１２に対して回転可能な第１アーム（第２部材）１１３と、バランサ１とを備えている。

【0010】

バランサ１は、図２に示されるように、ハウジング２と、ロッド３と、可動板（可動部材）４と、圧縮コイルバネ（力発生手段）５と、センサ６とを備えている。
ハウジング２は、円筒状の本体部７と、本体部７の軸方向の両端を閉塞する平板状の前端板（端板）８および後端板（端板）９と、前端板８に配置されロッド３を長手方向に移動可能に支持する軸受１２とを備えている。

【0011】

本体部７の外周面には、軸方向の途中位置に、軸を挟んで正反対に配置された一対の取付部１０が設けられている。各取付部１０は、本体部７の外周面から径方向外方に向かって同一直線上に正反対の方向に延びる円筒状に形成され、横断面円形の内孔１１を備えている。

【0012】

前端板８には、中央に板厚方向に貫通する貫通孔１３が設けられ、この貫通孔１３に軸受１２が配置され、ロッド３が挿入された軸受１２によって本体部７の軸方向に移動可能に支持されている。ハウジング２外に配置されるロッド３の一端には、取付ブラケット１４が固定されている。取付ブラケット１４にはロッド３の長手軸Ｃに直交する方向に貫通する貫通孔１５が設けられている。

【0013】

ハウジング２内に配置されるロッド３の他端には、ロッド３に形成された雄ねじ３ａとナット１６との締結により、可動板４が固定されている。可動板４は、本体部７の内径よりも若干小さい外径寸法の円板状に形成されている。

【0014】

本実施形態においては、ロッド３が貫通している前端板８と可動板４との間に、圧縮コイルバネ５が圧縮された状態で配置されている。これにより、ロッド３が、常に、ハウジング２内に引き込まれる方向に圧縮コイルバネ５の発生する力を受けている。また、ロッド３がハウジング２から引き出される方向に移動させられると、圧縮コイルバネ５の圧縮量が増大し、ロッド３をハウジング２内に引き込む力が増大させられる。

【0015】

センサ６は、例えば、レーザ変位計等の非接触の距離センサであり、ハウジング２の後端板９の外側に固定され、後端板９に設けられた貫通孔１７を透過してロッド３の末端に向けてレーザ光を照射し、ロッド３の末端における反射光を検出する。図中、符号１８はセンサ６をハウジング２の後端板９に取り付けるブラケットである。

【0016】

これにより、センサ６の先端からロッド３の末端までの距離を測定することができる。ハウジング２に固定されたセンサ６の先端からロッド３の末端までの距離を測定することは、すなわち、ロッド３とハウジング２との位置関係を検出することを意味している。

【0017】

このように構成されたバランサ１は、旋回胴１１２に固定される一対の第１シャフト１９および第１アーム１１３に固定される第２シャフト２０によって、旋回胴１１２と第１アーム１１３との間に取り付けられる。第１シャフト１９および第２シャフト２０は、それぞれ第２軸線Ｂと平行に、相互に間隔をあけて配置されている。

【0018】

旋回胴１１２に固定される第１シャフト１９は、バランサ１のハウジング２に設けられた取付部１０の内孔１１内に挿入され、第１シャフト１９の外面と内孔１１の内面との間に配置された軸受、例えば、滑り軸受（第１軸受）２１によって、ハウジング２を第１取付軸線Ｘ回りに回転可能に支持している。
第１アーム１１３に固定される第２シャフト２０は、ロッド３の取付ブラケット１４に設けられた貫通孔１５内に挿入され、第２シャフト２０の外面と貫通孔１５の内面との間に配置された軸受、例えば、転がり軸受（第２軸受）２２によって、ロッド３を第２取付軸線Ｙ回りに回転可能に支持している。

【0019】

これにより、旋回胴１１２に対して第１アーム１１３を第２軸線Ｂ回りに回転させると、第１アーム１１３に固定された第２シャフト２０が第２軸線Ｂ回りに移動する結果、第１取付軸線Ｘと第２取付軸線Ｙとの間の距離が変化し、ハウジング２内部の圧縮コイルバネ５の圧縮量が変化する。第１アーム１１３が鉛直方向に配置されている図１の状態では、第１アーム１１３に作用する重力負荷トルクが最も小さく、第１アーム１１３が前方または後方に倒れて、鉛直方向に対する傾斜角度が大きくなるほど、第１アーム１１３に作用する重力負荷トルクが大きくなる。

【0020】

一方、バランサ１においては、第１アーム１１３が鉛直方向に配置されている状態よりも、鉛直方向に対して前方または後方に傾斜している状態の方が、圧縮コイルバネ５の圧縮量が大きくなる。しかも、第１アーム１１３が鉛直方向に配置されている状態よりも、鉛直方向に対して前方または後方に傾斜している状態の方が、第１取付軸線Ｘと第２取付軸線Ｙとを含む平面と第２軸線Ｂとの距離が大きくなる。

【0021】

その結果、バランサ１によって発生する補助トルクを、第１アーム１１３に作用する重力負荷トルクが大きいときに大きく、小さいときに小さくなるパターンで変化させることができ、第１アーム１１３の動作範囲全体にわたって、モータの負荷を軽減することができる。

【0022】

制御装置１２０は、少なくとも１つのプロセッサと、少なくとも１つのメモリと、ディスプレイ（報知部）１２１とを備えている。
制御装置１２０は、正常時において、旋回胴１１２に対して第１アーム１１３が所定の角度、例えば、０°、すなわち、図１に示されるように、第１アーム１１３が鉛直方向に配置されているときに、センサ６により検出された距離を記憶している。

【0023】

ここで、正常時は、ロボット１１０の出荷時、あるいはバランサ１を支持する第１および第２軸受２１，２２が交換された直後の時点等、バランサ１を支持する滑り軸受２１および転がり軸受２２が劣化していない時点を示している。記憶する距離としては、センサ６により実際に検出された距離でもよいし、設計値を記憶してもよい。

【0024】

また、制御装置１２０のプロセッサは、必要に応じて手動により、定期的に、あるいは、ロボット１１０の稼働中に第１アーム１１３が鉛直方向に配置された状態で、センサ６により検出された距離と、メモリに記憶されている正常時の距離との差分を算出する。そして、制御装置１２０のプロセッサは、算出された差分の絶対値Δが所定の閾値を超えているか否かを判定し、差分の絶対値Δが閾値を超えていると判定した場合に、バランサ１に異常状態が発生した旨をディスプレイ１２１に報知する。

【0025】

このように構成された本実施形態に係るバランサ１およびロボットシステム１００の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るバランサ１によれば、圧縮コイルバネ５の弾発力がロッド３をハウジング２内に常に引き込む方向に作用する。したがって、第１シャフト１９側に備えられた滑り軸受２１には、圧縮コイルバネ５によって前方に引っ張られるハウジング２を支持するために、第１シャフト１９の後方側のみに圧縮コイルバネ５の弾発力による荷重が作用する。また、第２シャフト２０側に備えられた転がり軸受２２には、圧縮コイルバネ５によって後方に引っ張られるロッド３を支持するために、第２シャフト２０の前方側のみに圧縮コイルバネ５の弾発力による荷重が作用する。

【0026】

そして、上述したように偏った荷重が常に作用している状態で、ロボット１１０が長時間にわたって稼働することにより、滑り軸受２１が摩耗した場合には、図３に矢印Ｐにより示されるように、ハウジング２が第１シャフト１９に対して前方に移動する。また、転がり軸受２２が摩耗した場合には、図４に示されるように、ロッド３が矢印Ｑにより示されるように、第２シャフト２０に対して後方に移動する。図３および図４において、ハッチングが付された部分の軸受２１，２２に摩耗が生じているものとする。

【0027】

その結果、滑り軸受２１が摩耗した場合および転がり軸受２２が摩耗した場合のいずれの場合においても、図５に鎖線で示されるように、センサ６により検出される距離は、記憶されている正常時の距離よりも小さくなる。
本実施形態に係るロボットシステム１００によれば、センサ６により検出された距離と正常時の距離との差分の絶対値Δが所定の閾値を超える場合には、ディスプレイ１２１に異常状態である旨が報知される。これにより、バランサ１を支持する滑り軸受２１および転がり軸受２２の摩耗がそれ以上に進行して、他の部品に悪影響が及ぶ前に、軸受２１，２２を交換するなどの処置を施すことができるという利点がある。

【0028】

すなわち、モータの電流値によって軸受２１，２２の初期の摩耗を検出することは困難であるが、摩耗によって変化するロッド３とハウジング２との位置関係を検出することにより、異常状態を検出して対処することができる。特に、ロッド３およびハウジング２をそれぞれ支持する軸受２１，２２が同時進行的に摩耗する場合に、両軸受２１，２２の摩耗量の合計値によって、より早期に異常状態を検出することができる。

【0029】

なお、本実施形態においては、圧縮コイルバネ５によって、ハウジング２内にロッド３を引き込む方向に力を発生させるバランサ１を例示した。これに代えて、図６に示されるように、圧縮コイルバネ５を可動板４と後端板９との間に配置して、圧縮コイルバネ５によって、ハウジング２内からロッド３を押し出す方向に力を発生させるバランサ１を採用してもよい。

【0030】

この場合には、前端板８に貫通孔２３を設け、前端板８に固定したレーザ変位計等のセンサ６によって、可動板４までの距離を検出すればよい。そして、正常時においてセンサ６により検出された距離あるいは設計値を記憶しておき、必要に応じてあるいは定期的にセンサにより検出された距離と正常時の距離との差分の絶対値Δが閾値を超えているか否かを判定すればよい。

【0031】

また、本実施形態においては、センサ６として、後端板９に固定したレーザ変位計を採用し、ロッド３の端面におけるレーザ光の反射光を検出することとした。これに代えて、図７に示されるように、ロッド３に固定された可動板４（あるいはナット１６）までの距離を検出することにしてもよい。

【0032】

また、本実施形態においては、正常時の距離を記憶して検出された距離との差分の絶対値Δが閾値を超えるか否かを判定した。これにより、距離を検出する際の旋回胴１１２に対する第１アーム１１３の角度を任意に設定することができる。

【0033】

これに代えて、ロッド３のストロークエンドにおいて距離を検出する場合には、正常時の距離から閾値を減算した距離を新たな閾値として記憶し、検出された距離が新たな閾値以下となったか否かを判定してもよい。新たな閾値に対応する距離は、通常はストロークエンド外にあり、ロボット１１０の通常の動作状態では到達し得ない距離である。これにより、距離を検出する際の旋回胴１１２に対する第１アーム１１３の角度を設定することなく、検出された距離が閾値以下となった時点で異常状態を検出することができる。

【0034】

また、センサとして、レーザ変位計等の距離センサ６に代えて、図８に示されるように、リミットスイッチ（スイッチ）２４のような接触式のスイッチ、あるいは、近接センサのような非接触式のスイッチを採用してもよい。この場合においても、ロッド３がストロークエンドを超えた位置において作動する位置にリミットスイッチ２４を配置することにより、リミットスイッチ２４が作動した時点で異常状態を検出することができる。

【0035】

また、センサとして、レーザ変位計等の距離センサ６に代えて、図９に示されるように、発光器２５と受光器２６とをハウジング２の本体部７に対向して配置して、発光器２５から発せられる光の光軸Ｌをロッド３のストロークエンドを超えた位置に配置した光学式のセンサを採用してもよい。軸受２１，２２の摩耗により、ハウジング２とロッド３との位置関係が変化したときに、ロッド３（または、可動板４あるいはナット１６）が光軸Ｌを遮ることにより差分の絶対値Δが閾値を超えたことを検出することができる。

【0036】

また、後端板９とロッド３との間の距離をセンサ６により検出することに代えて、図１０に示されるように、前端板８と取付ブラケット１４との距離をセンサ６により検出してもよい。ハウジング２の内部にセンサ６を配置しなくて済むので、バランサ１として、圧縮コイルバネ５を内蔵したバネバランサの他、ガスを封入したガスバランサを採用する場合にも適用することができる。

【0037】

また、本実施形態においては、ハウジング２とロッド３との位置関係をセンサ６により検出したので、第１シャフト１９に対するハウジング２の変位と、第２シャフト２０に対するロッド３の変位とを合計した変位によって異常状態か否かを判定した。
これに代えて、図１１に示されるように、ハウジング２の軸方向（第１取付軸線Ｘおよび第２取付軸線Ｙの両方に直交する方向）の第１取付軸線Ｘと取付部１０の外面（ハウジング２）との距離をセンサ６により検出してもよい。また、図１２に示されるようにロッド３の軸方向（第１取付軸線Ｘおよび第２取付軸線Ｙの両方に直交する方向）の第２取付軸線Ｙと取付ブラケット１４の端面（ロッド３）との距離をセンサ６により検出してもよい。また、図１１および図１２の距離を別々に検出してもよい。

【0038】

支持する軸受２１，２２の種類あるいは各軸受２１，２２に係る荷重の違いによって軸受２１，２２の摩耗の程度が異なるため、軸受２１，２２毎に別々に検出して、異なる閾値を用いて異常状態であるか否かを判定してもよい。例えば、転がり軸受２２の摩耗量は滑り軸受２１よりも大きくなり易く、図１の例では、２つの滑り軸受２１の摩耗量は単一の転がり軸受２２よりも十分に小さい。したがって、軸受２１，２２毎に距離の変動を検出して異なる閾値によって異常状態であるか否かを判定することにより、軸受２１，２２の摩耗を個別に発見して、早期に対策することができる。

【0039】

また、本実施形態においては、垂直６軸多関節型ロボットを例示したが、ロボット１１０の形式は任意でよい。また、ハウジング２を旋回胴１１２に、ロッド３を第１アーム１１３にそれぞれ回転可能に支持させることとしたが、逆でもよい。また、旋回胴１１２におけるハウジング２の支持位置をハウジング２の軸方向の途中位置に設定したが、後端板９よりも後方において支持する方式のバランサ１に適用してもよい。

【符号の説明】

【0040】

１ バランサ
２ ハウジング
３ ロッド
４ 可動板（可動部材）
５ 圧縮コイルバネ（力発生手段）
６ 距離センサ（センサ）
７ 本体部
８ 前端板（端板）
９ 後端板（端板）
２１ 滑り軸受（第１軸受）
２２ 転がり軸受（第２軸受）
２４ リミットスイッチ（スイッチ、センサ）
２５ 発光器（センサ）
２６ 受光器（センサ）
１００ ロボットシステム
１１０ ロボット
１１２ 旋回胴（第１部材）
１１３ 第１アーム（第２部材）
１２１ ディスプレイ（報知部）
Ｂ 第２軸線（回転軸線）
Ｘ 第１取付軸線
Ｙ 第２取付軸線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】