CN102892557B - 机器人单位设备和生产系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种机器人单位设备（100），在该设备中，用于一对机械臂（2，3）的可配合操作区域（D）能够被加宽，并且该设备具有优良的作业能力。本发明包括具有平面（8）的工作台（1），该平面在俯视图中具有四边形的形状，且工件被放置在该平面上。机械臂的近端被分别固定至工作台的平面的四个拐角之中处于对角位置的两个拐角。可配合操作区域形成在工作台的平面上方的空间中，该对机械臂能够在该可配合操作区域中配合操作。

Description

机器人单位设备和生产系统

技术领域

本发明涉及一种与一对机械臂配合地执行组装作业或类似操作的机器人单位设备以及包括多个机器人单位设备的生产系统。

背景技术

至今已经使用多种用机械臂来执行组装作业的组装设备。近来，需要这样一种组装设备，其通过使用机械臂完成组装作业来替代手动组装作业。在手动组装作业中，引入了人力单位生产系统，在该生产系统中，传送装置被移除了，并且由人直接传送工件。同时，存在用机器人单位生产系统来取代人力单位生产系统的需要。为了用机器人单位生产系统来取代人力单位生产系统，需要使用多个机械臂，以扩展其操作范围、增加操作距离，并且能够从任何方向上执行操作，且与人力单位生产系统相比设备尺寸没有增加。对此，已经知晓一种组装设备，其包括两个机械臂和一组装工作台，并且能够执行组装作业（见PTL1）。

引用文献列表

专利文献

PTL1：日本专利特开H09-57550

尽管现有技术的组装设备包括了传送装置，当组装设备应用于机器人单位生产系统的生产系统时，该传送装置被移除。需要这样一种生产系统，即在该生产系统中，多个机器人单位设备并排布置，以使用机械臂传送工件。

在现有技术的组装设备中，一对机械臂在工件传送方向上平行布置。因为这个原因，如果机器人单位设备的结构被设置成使得组装设备应用于机器人单位生产系统，则整个设备的尺寸增大。相反，如果这些单位的尺寸缩小，则与一对机械臂配合执行组装作业的区域变窄。当与该对机械臂配合执行组装作业时，在工件上执行作业的方向受到限制。这样导致作业能力减弱，增加用于组装作业的时间，并且产能下降。

当多个现有技术的组装设备应用于机器人单位系统且被并排布置时，机器人单位设备需要被布置在彼此附近，并且因此机械臂平行于工件传送方向被并排布置。因此，相邻的机器人单位设备的机械臂可能彼此干扰，导致产能下降。

发明内容

本发明提供了一种机器人单位设备，在该设备中，用于一对机械臂的可配合操作区域被扩大，并且该设备具有良好的作业能力。本发明还提供了一种生产系统，该系统避免设备尺寸增加，并且在防止相邻的机器人单位设备的机械臂彼此干扰的同时确保产能。

本发明提供了一种机器人单位设备，其包括一对铰接的机械臂，每个机械臂具有：远端，在该远端处设有能够抓持工件的手；以及可转动的近端；该机器人单位设备包括：具有平面的工作台，该平面在俯视图中具有四边形的形状，工件被放置在所述平面上，其中，机械臂的近端被分别固定到工作台的所述平面的四个拐角中处于对角位置的两个拐角处，并且在工作台的平面上方的空间中形成可配合操作区域，所述一对机械臂在所述可配合操作的区域内配合地操作。

本发明还提供了一种生产系统，包括多个上述的机器人单位设备，其中，所述多个机器人单位设备在工件传送方向上并排布置，从而连接机器人单位设备的所述一对机械臂的直线彼此平行，并且该生产系统被构造成使得工件能够通过机器人单位设备的机械臂被顺序传送。

根据本发明的机器人单位设备，一对机械臂对角地布置在工作台的平面上。这样允许在工作台的平面上方的空间中拓宽用于该对机械臂的可配合操作区域，同时防止设备尺寸增大。如上所述地布置的那对机械臂使得能从任何方向进行组装作业，导致了作业能力有所改进。

根据本发明的生产系统，相邻的机器人单位设备的机械臂可能彼此干扰的区域变窄。因此，可以减少用于避免机械臂碰撞的停机时间，从而防止产能退化。此外，机械臂能够直接传送工件，从而避免生产系统尺寸增加。

通过参考附图，本发明的进一步特征将从随后的示范性实施例的详细描述中变得明显。

附图说明

图1是根据本发明实施例的机器人单位设备的透视图。

图2是示出机械臂的可移动范围的说明图。

图3A是示出作为比较示例的机器人单位设备的机械臂的可移动范围的说明图，并且还示出了机械臂被布置在工作台的一侧的两端上的拐角处的情形。

图3B是示出作为比较示例的机器人单位设备的机械臂的可移动范围的说明图，并且还示出了机械臂被布置在两相对侧的各中心处的情形。

图4是一种生产系统的透视图，该生产系统包括了多个根据本发明实施例的机器人单位设备。

图5是示出在多个机器人单位设备中，两个相邻的机器人单位设备的机械臂的可移动范围的说明图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对用于实施本发明的实施方式进行详细描述。图1是示出根据本发明实施例的机器人单位设备的透视图。如在图1中所示，机器人单位设备100包括一对六轴铰接式机械臂2和3。机械臂2具有近端2a和远端2b。相似地，机械臂3具有近端3a和远端3b。近端2a和3a被构造成能在俯视图中转动经过360度。在远端2b和3b处，设置了能够抓持工件的手4和5。手4和5是多用途的手，每个手包括力传感器。小型照相机6被安装在机械臂2的远端2b处，并且小型照相机7被安装在机械臂3的远端3b处。

机器人单位设备100包括具有平面8的工作台1，工件被放置在平面8上，并且所述平面在俯视图中具有四边形的形状，具体地，正方形的形状。工作台1的平面8是从在前处理供给来的工件要放置在其上的位置。在工作台1的底面上，设有脚轮16以使其能够移动。工作台1具有这样的结构，其中，可安装地设有用于将工作台1固定到地面上的固定托架1c。

在工作台1的平面8的四个拐角8A、8B、8C和8D之中，机械臂2和3的近端2a和3a被分别固定到处于对角位置的两个拐角8A和8B。机械臂2的近端2a被固定到所述两个拐角8A和8B中的一个拐角8A，机械臂3的近端3a被固定到另一个拐角8B。可摆动的接头部（腕部）被分别形成在机械臂2和3的远端2b和3b处，因此允许手4和5摆动。

作为用于供给要组装的零件的工件供给单元的零件供应装置9被固定到两个拐角8C和8D中的一个拐角8C，拐角8C和8D不是工作台1的平面8中固定有机械臂2和3的那两个拐角。工具台架10被固定到另一个拐角8D，用于旋拧或类似操作的工具放置在该工具台架上。

在工作台1的平面8的中心部处，设有用于组装工件的抓持夹具。在工作台1上方，布置了用于检测工件位置的照相机，该照相机未示出。机械臂2和3的近端2a和3a的转动操作、包括腕部的接头部的摆动操作、以及手4和5的抓持操作和抓持释放操作通过布置在工作台1中的控制装置12控制，以使其可配合地操作。工作台1的平面8优选地在俯视图中具有大约为500mm的正方形形状，其等于用于人工单位的工作台的空间。

图2是示出机械臂2和3可移动的范围的说明图，还是示出机器人单位设备100的示意性俯视图。机械臂2的近端2a可转动经过360度。在俯视图中，由范围A_max和范围A_min包围的环形区域A是机械臂2的可操作区域，在范围A_max中手4的末端离近端2a最远，在范围A_min中手4的末端离近端2a最近。相似地，在俯视图中，由范围B_max和范围B_min包围的环形区域B是机械臂3的可操作区域，在范围B_max中手5的末端离近端3a最远，在范围B_min中手5的末端离近端3a最近。区域A和区域B彼此重叠的区域C（由图2中斜线指示的区域）是能够由机械臂2和3中的任一个执行作业的区域（共享的可操作区域）。

在区域C内，形成了可配合操作区域（图2中的阴影区域，即区域D），在该区域中，由一对机械臂2和3执行配合操作。术语“配合操作”是指通过一对机械臂2和3配合执行的操作。例如，一个机械臂2抓持工件，另一机械臂3抓持待组装至该工件的零件，因此允许机械臂2和3操作以使其配合并将零件组装至工件。该工件可以由一个机械臂3保持，并且由另一个机械臂2拧紧。

在这一实施例中，当通过一对机械臂2和3执行配合操作时，需要使机械臂2和3的腕部自由地运动。因此，可配合操作区域D比共享的可操作区域C窄到腕部可运动的程度。可配合操作区域D形成在工作台1平面上方的空间内，因而使得配合操作能够在工作台1的正上方进行。特别地，可配合操作区域D包括在俯视图中工作台1的平面8的中心部，所述一对机械臂2和3被形成为相对于作为对称轴线的、连接一对机械臂2和3的直线线性对称。在可配合操作区域D中，工作台1的平面8的中心部是最宽的，并且在俯视图中延伸到两个拐角8C和8D一侧。在图2中，参考标记L表示这样的距离，即，在该距离下，能够在工作台1的平面8的中心部处执行配合操作。

将本实施例的机器人单位设备100与其中机器臂对的布局不同的机器人单位设备进行比较。图3A和3B中的每一个都是示出作为比较示例的机器人单位设备的机械臂的可移动范围的说明图。在图3A中，机械臂布置在工作台一侧的两端上的拐角处。在图3B中，机械臂布置在两相对侧的各中心处。

在图3A中示出的机器人单位设备中，工作台1_X的中心部处的可配合操作距离L_X可以与本实施例中的一样长。然而，可配合操作区域DX相对于连接一对机械臂2_X和3_X的直线并非线性对称。该对机械臂2_X和3_X之间的距离较窄，并且期望在工作台1_X的中心部处执行配合操作，与当在一对机械臂2_X和3_X之间执行配合操作的操作空间相比，在中心部处执行配合操作的操作空间更大。因此，该对机械臂2_X和3_X的组装操作方向受到限制。机械臂2_X的可操作区域A_X和机械臂3_X的可操作区域B_X彼此重叠的共享的可操作区域C_X不包括与其上布置有机械臂2_X和3_X的一侧相反的一侧的两端上的拐角。因此，这两个拐角无法用作放置工具、工件或类似物的空间。

图3B中所示的机器人单位设备的可配合操作距离L_y比本实施例中的可配合操作距离L更窄。可配合操作区域D_y在工作台1的中心部处变窄，这使得在工作台1_y的中心部处难以由一对机械臂2_y和3_y执行配合操作。因此，为了配合操作，需要在远离工作台中心部的位置处操作，机械臂2_y和3_y的组装操作方向被改变以进行操作。因此，由于改变用于配合操作的姿态（取决于组装操作），操作时间会变长。其中机械臂2_y的可操作区域A_y和机械臂3_y的可操作区域B_y彼此重叠的共享的可操作区域C_y几乎不能覆盖工作台1_y的四个拐角。因此，仅仅使用了分别垂直于其上布置有机械臂2_y和3_y的两侧的那两侧的中心部，从而难以传送工件及提供零件。

相反，在本实施例中，机械臂2和3如图2中所示地布置，从而工作台1的四侧能够被有效使用。共享的可操作区域C和可配合操作区域D变宽，并且可配合操作距离L能够增大。由于共享的可操作区域C包括拐角8C和8D，一个拐角8C可被设置为能够供给工件的区域，零件供应装置9被布置在区域中，如图1中所示。另一拐角8D可被设置为能够进行维护的区域，工具台架10被布置于该区域中。机械臂2和3都可以接近零件供应装置9和工具台架10。一对机械臂2和3之间的空间，即，在俯视图中连接一对机械臂2和3的直线的中心，适用于配合操作。直线的中心对应于可配合操作区域D的中心和工作台1的中心部。因此，可以从任何方向上执行组装作业，从而实现熟练的操作。

接下来，将描述在如上述构造的机器人单位设备100中的实际组装作业。当工件从在前处理被传送并放置到工作台1的平面8上时，工件的位置和零部件的位置由照相机检测，该零部件是待组装的另一工件，照相机布置在工作台1的上方且未示出。

控制装置12控制机械臂2的每个接头部和手4，使得机械臂2的手4基于当检测上述位置时所获得的数据抓持工件。其间，控制装置12控制机械臂3的每个接头部和手5，使得机械臂3的手5抓持放置在零件供应装置9上的零件。对机械臂2和手4以及机械臂3和手5配合地控制。此时，在使用分别提供给手4和5的力传感器和小型照相机6和7的同时进行所述配合控制，从而实现熟练且复杂的作业，例如配套组装。

接下来，工件由机械臂2和手4设置到抓持夹具11，抓持夹具11设置在工作台1的中心部处。组装作业（例如旋拧操作）通过使用工具由机械臂3和手5执行，所述工具例如是电动螺丝起子等，其设置在工具台架10上且未被示出。在组装作业完成之后，手5抓持工件，并且机械臂3的近端3a转动，从而将工件传送至在后处理中的机器人单位设备的工作台的平面上。

在以上说明中，已经描述了用于配合控制的必要作业。然而，当配合控制并非必要时，也可以在将工件设置到抓持夹具之后执行组装作业。力传感器和小型照相机也可以用在非配合操作的组装作业中。已对旋拧操作进行了描述，该旋拧操作作为使用工具的组装作业的示例。然而，在例如涂油脂的涂覆作业的情形下，组装作业可以通过使用例如分配器之类的工具以相似的方式来执行。

如上所述，一对机械臂2和3之间的中心部是适用于配合操作的区域。然而，该对机械臂2和3对角地布置在工作台1的平面8上，从而能够在中心部处获得长距离L。因此，可以从任何方向上执行组装作业，导致作业能力有所改进。此外，能够增大位于工作台1的平面8上方的空间中的用于所述一对机械臂2和3的可配合操作区域D，同时防止设备尺寸的增加。工作台1的四侧可以用作用于两个机械臂2和3的操作区域，从而工作台的每侧都能被自由使用，导致机器人单位设备的自由度增大。

接下来，将描述包括多个机器人单位设备100的生产系统200。图4是包括多个根据本发明实施例的机器人单位设备100的生产系统200的透视图。图4示出了包括四个机器人单位设备100的生产系统200的情形。然而，机器人单位设备的数目不限于此，而是只要设有两个或更多个机器人单位设备100即可。机器人单位设备100在工件传送方向T上线性并排布置，使得连接所述一对机械臂2和3的直线彼此平行，所述机械臂2和3对角地布置在工作台1上。两个相邻的机器人单位设备100、100的工作台1、1彼此相邻地布置，使得固定于工作台1之一的机械臂3能够将工件顺序地传送至另一工作台1的平面8。

图5是示出在多个机器人单位设备中，两个相邻的机器人单位设备的机械臂的可移动范围的说明图。对于两个机器人单位设备100，图5示出了布置在传送方向T上游的机器人单位设备100₁和布置在传送方向T下游的机器人单位设备100₂。

机械臂2₁和3₁的近端分别被可转动地固定到两个拐角8A₁和8B₁，拐角8A₁和8B₁在工作台1₁的平面8₁的四个拐角8A₁、8B₁、8C₁和8D₁中定位在对角位置处。相似地，机械臂2₂和3₂的近端分别被可转动地固定到两个拐角8A₂和8B₂，拐角8A₂和8B₂在工作台1₂的平面8₂的四个拐角8A₂、8B₂、8C₂和8D₂中定位在对角位置处。

机械臂2₁、3₁、2₂和3₂可转动经过360度，使得每个可操作区域A₁、B₁、A₂和B₂在俯视图中都具有环形形状。连接对角地布置在工作台1₁上的那对机械臂2₁和3₁的直线在图5中通过交替的长短虚线L₁来指示。连接对角地布置在工作台1₂上的那对机械臂2₂和3₂的直线在图5中通过交替的长短虚线L₂来指示。工作台1₁和1₂布置在彼此附近，使得交替的长短虚线L₁和L₂彼此平行。因此，机械臂2₁、3₁、2₂和3₂在俯视图中以交错方式布置。因此，被固定至一个工作台1₁且在另一个工作台1₂附近的机械臂3₁与被固定至另一个工作台1₂的那对机械臂2₂和3₂之间的距离大致等于工作台一侧的长度。相似地，被固定至另一个工作台1₂且在一个工作台1₁附近的机械臂2₂与被固定至一个工作台1₁的那对机械臂2₁和3₁之间的距离大致等于工作台一侧的长度。在沿传送方向T传送工件的情形下，设置在固定于一个工作台1₁的机械臂3₁的远端处的手抓持工件，机械臂3₁的近端转动，从而将工件传送至另一个工作台1₂的平面8₂。工件通过在前处理中的机器人单位设备的机械臂和手传送至工作台1₁的平面8₁。当组装作业完成时，工件通过机械臂3₁和手传送至在后处理中的机器人单位设备100₂的工作台1₂的平面8₂。可替换地，放置在一个工作台1₁的平面8₁上的工件由设置在固定于一个工作台1₂的机械臂2₂的手抓持，机械臂2₂的近端转动，从而将工件传送至另一个工作台1₂的平面8₂。因此，多个机器人单位设备100在传送方向上并排布置，使得允许机器人单位设备100的机械臂2和3在传送方向T上顺序地传送工件。在传送工件的情形下，进行转动的机械臂3₁或2₂与另一机械臂分开大约工作台一侧的长度。结果，减小了机械臂相互干扰的区域，从而轻易地避免机械臂碰撞。工件传送方法不限于这些，工件可以被传送成使得工件从机械臂3₁传递到机械臂2₂。因此，工件可以通过机械臂2和3直接传送，从而消除了对传送装置或类似物的需求，也避免了整个设备（生产系统）的尺寸增加。

图5中示出的区域E是其中机器人单位设备100₁的机械臂3₁的可操作区域B₁与在后处理中的机器人单位设备100₂的机械臂2₂的可操作区域A₂在工作台1₂的平面8₂上方的空间中彼此重叠的区域。也就是说，区域E是机械臂3₁可能干扰机械臂2₂的区域。

区域F是其中机器人单位设备100₁的机械臂3₁的可操作区域B₁与在后处理中的机器人单位设备100₂的机械臂3₂的可操作区域B₂在工作台1₂的平面8₂上方的空间中彼此重叠的区域。也就是说，区域F是机械臂3₁和3₂可能相互干扰的区域。

区域G是其中机器人单位设备100₁的机械臂3₁的可操作区域B₁与在后处理中的机器人单位设备100₂的机械臂2₂和3₂的共享的可操作区域在工作台1₂的平面8₂上方的空间中彼此重叠的区域。也就是说，区域G是机械臂3₁与所述一对机械臂2₂和3₂可能相互干扰的区域。

如图5中所示，即便当工件由机械臂3₁传送至在后处理中的机器人单位设备100₂，并且机械臂3₁进入到在后处理中的机器人单位设备100₂的工作台1₂的上方的空间时，与图3A和3B中示出的布局相比，干扰区域E和F也变窄了。特别地，与用于机械臂2₂和3₂的共享的可操作区域重叠的区域G也变窄了。因此，当机器人单位设备100₁的机械臂3₁进入到相邻的机器人单位设备100₂的工作台1₂的上方的空间时，可以减少用于使机器人单位设备100₂停机以避免机械臂碰撞的停机时间。

如图4中所示，不是每个机器人单位设备100的工作台1的平面8上的固定有一对机械臂2和3的两个拐角的那两个拐角中的一个是能够供给零件的区域，零件供应装置9固定在该区域中。工件被供给至所述能够供给零件的区域。另一个拐角是能够进行维护的区域，其上布置有工具的工具台架10固定于该区域中。由于工具放置在工具台架10上，所以工具被布置在所述能够进行维护的区域中。工具通常需要维护。

特别地，在图5中，不是分别固定有所述一对机械臂2₁和3₁的两个拐角8A₁和8B₁的那两个拐角8C₁和8D₁中的一个拐角8C₁是能够供给工件的区域，并且另一个拐角8D₁是能够进行维护的区域。相似地，不是分别固定有所述一对机械臂2₂和3₂的两个拐角8A₂和8B₂的那两个拐角8C₂和8D₂中的一个拐角8C₂是能够供给工件的区域，并且另一个拐角8D₂是能够进行维护的区域。

如图4中所示，多个机器人单位设备100在一个方向上对齐，使得工作台1的能够供给工件的区域在一个方向上对齐，并且工作台1的能够进行维护的区域在一个方向上对齐。零件供应装置9在布置有机械臂2的一侧上在一个方向上对齐，并且工具台架10在布置有机械臂3的一侧上在一个方向上对齐。这样便于将零件供应至每个零件供应装置9，并且使得当对布置于每个能够进行维护的区域内的工具进行维护时，能够从一个方向上进行操作。

如上所述，多个机器人单位设备100对齐，并且连接每个机器人单位设备100的两个机械臂2和3的线被设置成彼此平行，从而使得其中相邻的机器人单位设备100的机械臂彼此重叠的操作区域变窄。因此，减少了用于使该设备停机以避免机械臂彼此干扰的时间，并且防止产能退化。此外，工件可以通过机械臂直接传送，从而避免了整个设备的尺寸增大。更进一步地，能够供给工件的区域和能够进行维护的区域对齐，从而便于零件的供应。而且，在维护期间仅仅需要从一个方向上操作，从而提高了产能。

尽管已经基于上述实施例对本发明进行了描述，但本发明并不限于此。以上的实施例已经示例性地解释了多个机器人单位设备线性布置的情形。然而，即便这些机器人单位设备以之字形布置，只要连接机器人单位设备的机械臂的线彼此平行，即可获得相同的效果。毋庸讳言，根据机械臂安装位置相对于工作台的精度和机器人单位设备的固定位置的精度，可能引起轻微的偏差。因此，以上描述的“平行”的绝对精度能够由用户人为地确定。

工业适用性

本发明适用于用在精确组装作业及类似领域中的机器人单位设备。

尽管已经参考示范性实施例对本发明进行了描述，可以理解的是，本发明并不限于已公开的示范性实施例。随后的权利要求的范围符合最为宽泛的解释，从而包括所有这些修改，以及等效的功能和结构。

本申请要求2010年5月19日申请的日本专利特开平2010-115326的优先权，该文献在这里整体引入作为参考。

参考标记列表

1工作台

2、3机械臂

2a、3a近端

2b、3b远端

4，5手

8平面

100机器人单位设备

200生产系统

D可配合操作区域

Claims (3)

1.一种机器人单位设备，包括：

一对铰接的机械臂，每个机械臂具有：远端，在该远端处设有能够抓持工件的手；腕部，所述腕部允许所述手摆动；可转动的近端；以及腕部的可运动区域；

具有平面的工作台，该平面在俯视图中具有四边形的形状，工件被放置在所述平面上，其中，机械臂的近端分别固定到工作台的所述平面的四个拐角中处于对角位置的两个拐角处，所述一对铰接的机械臂被布置为使得一个铰接的机械臂的腕部的可运动区域与另一个铰接的机械臂的腕部的可运动区域彼此重叠，可配合操作区域形成在工作台的所述平面上方的空间中的重叠的可运动区域内；以及

控制装置，所述控制装置使得所述一对铰接的机械臂在所述可配合操作区域内配合地执行组装操作。

2.一种生产系统，包括多个根据权利要求1的机器人单位设备，其中：

所述多个机器人单位设备在工件传送方向上并排布置，使得连接机器人单位设备的所述一对铰接的机械臂的直线彼此平行，并且该生产系统被构造成使得工件能够通过机器人单位设备的机械臂被顺序传送。

3.根据权利要求2的生产系统，其中，零件供应装置设置在每个机器人单位设备的工作台的所述平面上的不是固定有所述一对铰接的机械臂的两个拐角的另外两个拐角中的一个拐角中，工具台架设置在所述另外两个拐角中的另一个拐角中，并且

所述多个机器人单位设备并排设置，使得工作台上的所述零件供应装置对齐，且工作台上的所述工具台架对齐。