DE102015115541A1

DE102015115541A1 - Roboter und Verfahren zum Konstruieren einer Roboterform

Info

Publication number: DE102015115541A1
Application number: DE102015115541.9A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Takemoto; Hiroshi Kondoh
Original assignee: Denso Corp; Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Corp; Denso Wave Inc
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2035-09-16
Also published as: US10759064B2; CN105522591B; US20160107314A1; DE102015115541B9; JP6677441B2; JP2016078189A; DE102015115541B4; CN105522591A

Abstract

Ein Roboter beinhaltet eine bewegliche Einheit und eine Antriebseinheit, die die bewegliche Einheit antreibt. Die bewegliche Einheit, beinhaltet einen prognostizierten Kollisionsabschnitt, der eine Struktur ist, die eine äußere Form der beweglichen Einheit ausbildet und mit einem menschlichen Körper während einer Bewegung der beweglichen Einheit kollidieren kann. Der prognostizierte Kollisionsabschnitt ist so ausgebildet, dass eine vorbestimmte Form aufweist, so dass ein Druck, der auf einen menschlichen Körper ausgeübt wird, niedriger ist als ein vorbestimmter Sicherheitsstandardwert für Druck für den menschlichen Körper, wenn die bewegliche Einheit bei einer maximalen Schubkraft durch die Antriebseinheit angetrieben wird und mit dem menschlichen Körper kollidiert.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter, der mit einer beweglichen Einheit versehen ist, und ein Verfahren zum Konstruieren bzw. Entwerfen einer Form eines Roboters.
Verwandte Technik
Es besteht die Möglichkeit, dass ein Roboter mit einer in der Nähe befindlichen Person oder Struktur kollidieren kann, wenn z. B. eine bewegliche Einheit, wie z. B. ein Arm, sich bewegt oder dreht. Dementsprechend müssen Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden. Der Roboter kann z. B. von einem Sicherheitstor bzw. -zaun umschlossen sein, das verhindern soll, dass Personen während des Betriebs den Bewegungsbereich der beweglichen Einheit betreten. Eine Situation, in der eine Person den Bewegungsbereich während eines Einstellbetriebs, einer Produktion oder dergleichen betritt, kann jedoch ebenso als Möglichkeit aufgefasst werden. Daher sind auch roboterseitig Sicherheitsmaßnahmen implementiert, die Einwirkungen auf den menschlichen Körper verhindern. Die Patentschrift JP-A-2013-193137 offenbart z. B. ein Bereitstellen einer Erfassungsfunktion zum Erfassen der Annäherung eines menschlichen Körpers. Der Betrieb des Roboters wird gestoppt, bevor die bewegliche Einheit mit dem menschlichen Körper in Kontakt gelangt. Daneben offenbart z. B. die Patentschrift JP-A-2012-110971 ein Bereitstellen eines Mechanismus zum Reduzieren einer Aufprallkraft, wenn eine Kollision mit dem Arm erfasst wird.
Bei einer Konfiguration, bei der zum Verhindern einer Kollision eine Steuerung ausgeführt wird, wie z. B. jene gemäß der Patentschrift JP-A-2013-193137 , ist jedoch eine korrekte Steuerung des Roboters, d. h. dass der Roboter in einem normalen Zustand betrieben wird, sowohl Voraussetzung als auch Notwendigkeit. Sollte sich in dem Roboter eine Anomalität ereignen, kann die Kollisionsverhinderungssteuerung an sich nicht ausgeführt werden. Auf diese Weise gestaltet sich in Robotern, die auf der Basis des Konzepts einer sogenannten funktionalen Sicherheit konfiguriert sind, die Realisierung einer intrinsischen Sicherheit bzw. Eigensicherheit bei einem Roboter schwierig.
Bei einer Konfiguration, in der ein Kollisionsverhinderungsmechanismus, wie z. B. jener gemäß der der Patentschrift JP-A-2012-110971 , bereitgestellt ist, startet der Kollisionsverhinderungsmechanismus außerdem den Betrieb, nachdem sich eine Kollision ereignet hat. Der menschliche Körper wird dementsprechend im Augenblick der Kollision getroffen, und Einwirkungen auf den menschlichen Körper werden nicht unbedingt eliminiert. Weil darüber hinaus das Gewicht des Arms zunimmt, wenn der Kollisionsverhinderungsmechanismus bereitgestellt ist, muss die Leistungsabgabe einer Antriebseinheit zum Ansteuern des Arms erhöht werden. Somit nimmt die Kraft, die zum Kollisionszeitpunkt ausgeübt wird, zu, wodurch es Anlass zur Sorge gibt, dass die Einwirkungen auf den menschlichen Körper tatsächlich verstärkt werden. Wenn außerdem die Leistungsabgabe der Antriebseinheit erhöht wird, vergrößern sich die Abmessungen der Antriebseinheit an sich, was einen größeren Roboter zur Folge hat.
Eine Aufprallkraft zum Zeitpunkt einer Kollision kann durch die bewegliche Einheit verringert werden, wenn sie mit einem stoßdämpfenden Dämpfungsmaterial oder dergleichen bedeckt ist. Eine solche Konfiguration führt jedoch zu Situationen, die in Bezug auf den Roboter unerwünscht sind. Die Abmessungen der äußeren Form der beweglichen Einheit (wie z. B. eines Arms) nehmen z. B. zu, was einen kleineren Arbeitsbereich zur Folge hat. Zudem können die Abmessungen des Roboters an sich zunehmen, wie vorstehend beschrieben wurde.
Kurzfassung
Es ist somit wünschenswert, einen Roboter und ein Verfahren zum Entwerfen bzw. Konstruieren der Form eines Roboters zu schaffen, mit denen eine Eigensicherheit realisiert werden kann, ohne eine Vergrößerung der äußeren Form hervorzurufen.
Eine erste exemplarische Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung sieht einen Roboter vor, der eine bewegliche Einheit und eine Antriebseinheit beinhaltet, die die bewegliche Einheit antreibt, wobei die bewegliche Einheit einen voraussichtlichen bzw. prognostizierte Kollisionsabschnitt beinhaltet, der eine Struktur ist, die eine äußere Form der beweglichen Einheit bildet, und der mit einem menschlichen Körper während einer Bewegung kollidieren kann, wobei der voraussichtliche bzw. prognostizierte Kollisionsabschnitt so ausgebildet ist, dass er eine vorbestimmte Form aufweist, so dass ein auf den menschlichen Körper ausgeübter Druck geringer ist als ein vorbestimmter Sicherheitsstandardwert für Druck für den menschlichen Körper, wenn die bewegliche Einheit bei einer maximalen Schubkraft durch die Antriebseinheit (z. B. einen Motor) angetrieben wird und mit dem menschlichen Körper kollidiert.
Selbst wenn somit der voraussichtliche bzw. prognostizierte Kollisionsabschnitt, wie z. B. ein Außenkantenbereich einer X-Basis, mit dem menschlichen Körper kollidieren sollte, überschreitet der auf den menschlichen Körper ausgeübte Druck keinen Sicherheitsstandardwert. Somit ist die Realisierung der Eigensicherheit in einem Roboter möglich. In diesem Fall kann ein Wert, wie z. B. jener, der auf internationalen Standards in Bezug auf Robotersicherheit basiert, als der Sicherheitsstandardwert herangezogen werden.
Darüber hinaus erhält man eine Struktur, die einen Druck reduziert, der durch die Form des voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitts erhalten wird. Wenn im Gegensatz dazu das vorstehend beschriebene Dämpfungsmaterial oder dergleichen verwendet wird, kommt es daher zu keiner Vergrößerung der Abmessungen in der äußeren Form.
Bei dem Roboter gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird angenommen, dass ein kollidierter Abschnitt des menschlichen Körpers, mit dem der voraussichtlichen bzw. prognostizierte Kollisionsabschnitt kollidieren kann, ein Finger ist; und eine Form des Abschnitts des prognostizierten Kollidierens kann zu einer gekrümmten Oberfläche mit einem Krümmungsradius ausgebildet sein, der auf einen Bereich eingestellt ist, der den nachstehenden Ausdruck (1) erfüllt,
wobei: R der Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche der voraussichtliche bzw. prognostizierte Kollisionsabschnitt ist; F eine Druckkraft ist, wenn die Antriebseinheit die bewegliche Einheit bei einer maximalen Schubkraft antreibt und der voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitt gegen den menschlichen Körper drückt; Wf eine Breite des Fingers ist, dessen Querschnittsform als ein Quadrat mit der Breite modelliert ist; k ein Komprimierbarkeitskoeffizient des Fingers ist; und Ps ein maximaler Wert des vorbestimmten Sicherheitswerts für Druck ist.
Der Finger kann im Vergleich zu anderen Teilen des menschlichen Körpers sogar bei einer relativ geringen Kraft beschädigt bzw. verletzt werden. Indem der Krümmungsradius R des voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitts daher auf einen Bereich eingestellt wird, der den Sicherheitsstandardwert erfüllt, können Einwirkungen auf den menschlichen Körper reduziert werden.
Darüber hinaus sind die Sicherheitsstandardwerte für andere Teile, wie z. B. den Oberarm, verhältnismäßig höher eingestellt als jene für den Finger. Wenn daher die Sicherheitsstandardwerte für den Finger erfüllt sind, können selbstverständlich die Sicherheitsstandards für die anderen Teile erfüllt werden. Die Sicherheitsstandardwerte und die Hoch-/Tief-Beziehung zwischen den Sicherheitsstandardwerten für jeden Teil des menschlichen Körpers sind Werte, die zum Zeitpunkt der Einreichung der vorliegenden Anmeldung Vorschrift waren. In der Zukunft können diese Werte aber geändert werden.
Wenn jedoch eine Risikoeinschätzung für Kontaktrisiko und -konstruktion unter Bezugnahme auf das Teil durchgeführt wird, das den strengsten Sicherheitsstandardwerten unterliegt, können die Sicherheitsstandardwerte selbst dann erfüllt werden, wenn die Sicherheitsstandardwerte geändert werden.
Bei dem Roboter gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird angenommen, dass ein kollidierter Abschnitt des menschlichen Körpers, mit dem der voraussichtliche bzw. prognostizierte Kollisionsabschnitt kollidieren kann, ein Finger ist; und eine Form des voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitts kann zu einer gekrümmten Oberfläche mit einem Krümmungsradius ausgebildet sein, der auf einen Bereich eingestellt ist, der den nachstehenden Ausdruck (2) erfüllt,
wobei: R der Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche des voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitts ist; F eine Druckkraft ist, wenn die Antriebseinheit die bewegliche Einheit bei einer maximalen Schubkraft antreibt und der voraussichtliche bzw. prognostizierte Kollisionsabschnitt gegen den menschlichen Körper drückt; Rf ein Durchmesser des Fingers ist, dessen Querschnittsform als ein Kreis mit dem Durchmesser modelliert ist; k ein Komprimierbarkeitskoeffizient des Fingers ist; und Ps ein maximaler Wert des vorbestimmten Sicherheitswerts für Druck ist.
Der Finger kann im Vergleich zu anderen Teilen des menschlichen Körpers sogar bei einer relativ geringen Kraft beschädigt bzw. verletzt werden. Indem der Krümmungsradius R des voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitts auf einen Bereich eingestellt wird, der den Sicherheitsstandardwert erfüllt, können somit Einwirkungen auf den menschlichen Körper verringert werden. Wenn die Sicherheitsstandardwerte für den Finger erfüllt sind, können darüber hinaus die Sicherheitsstandards für die anderen Körperteile selbstverständlich auf eine Weise erfüllt werden, die ähnlich ist zu jener in der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist, die vorstehend beschrieben wurde.
Eine zweite beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt ein Verfahren zum Konstruieren einer Form eines Roboters bereit, der eine bewegliche Einheit und eine Antriebseinheit beinhaltet, die die bewegliche Einheit antreibt, wobei das Verfahren einen Schritt des Konstruierens einer Form eines voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitts der beweglichen Einheit beinhaltet, die mit einem menschlichen Körper während einer Bewegung der beweglichen Einheit kollidieren kann, wobei die Form des voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitts eine vorbestimmte Form aufweist, so dass ein Druck, der auf den menschlichen Körper ausgeübt wird, niedriger ist als ein vorbestimmter Sicherheitsstandardwert für Druck, der auf den menschlichen Körper ausgeübt wird, wobei der Druck ein Druck ist, der auf den menschlichen Körper ausgeübt wird, wenn die bewegliche Einheit bei einer maximalen Schubkraft durch die Antriebseinheit angetrieben wird und mit dem menschlichen Körper kollidiert.
Auf eine Weise ähnlich der in dem Roboter gemäß der ersten exemplarischen Ausführungsform, die vorstehend beschrieben wurde, kann somit die Eigensicherheit in dem Roboter realisiert werden. Darüber hinaus kommt es zu keiner Vergrößerung der Abmessungen der äußeren Form, weil ein Druck durch die Form des voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitts reduziert wird.
Darüber hinaus kann aufgrund der Konfiguration, in der der Druck durch die Form der beweglichen Einheit reduziert wird, selbst wenn der Sicherheitsstandardwert für Druck geändert wird, diese Veränderung durch ein Verändern der Form der beweglichen Einheit getragen werden. Das heißt, dass der Sicherheitsstandardwert für Druck in den Konstruktionswerten zum Entwerfen bzw. Konstruieren des Roboters ohne weiteres berücksichtigt werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1A und 1B schematische Diagramme eines äußeren Erscheinungsbildes und einer elektrischen Konfiguration eines Roboters gemäß einer ersten Ausführungsform;
2A bis 2C schematische Diagramme eines Zustands, in dem ein Arm mit einem menschlichen Körper kollidiert, und der Beziehung eines Drucks, der auf den menschlichen Körper bei einer Kollision ausgeübt wird;
3 ein Diagramm eines Zustands, in dem der Arm und der menschliche Körper modelliert sind;
4A und 4B schematische Diagramme eines Kollisionszustands, wenn der Arm mit dem menschlichen Körper kollidiert, der unter Verwendung eines Rechteckstabmodells dargestellt ist;
5 ein schematisches Diagramm eines Kollisionszustands, wenn der Arm mit dem menschlichen Körper kollidiert, der unter Verwendung eines Rundstabmodells dargestellt ist;
6 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts, in dem es in dem Roboter gemäß der Ausführungsform zu einem Verfangen kommen kann; und
7 ein schematisches Diagramm eines äußeren Erscheinungsbildes eines weiteren Roboters.
Beschreibung der Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf 1 bis 6 wird nachstehend eine Ausführungsform beschrieben.
Wie in 1A gezeigt ist, ist ein Roboter 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein sogenannter kartesischer Koordinaten-Roboter. Wie hinreichend bekannt ist, ist der Roboter 1 so konfiguriert, dass ein Spannfutter 2 (siehe 1B, das auch als eine Hand, ein Werkzeug oder dergleichen bezeichnet wird), das an dem Roboter 1 angebracht ist, in drei Dimensionen positioniert werden kann. Die Bewegung des Roboters 1 und der Betrieb des Spannfutters 2 werden durch einen Controller 3 (siehe 1B) gesteuert. 1A zeigt ein Beispiel für eine typische Konfiguration eines kartesischen Koordinaten-Roboters. Der Roboter, auf den die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, ist jedoch nicht auf jenen beschränkt, der in 1A gezeigt ist
Der Roboter 1 weist eine lineare Y-Basis 10 auf, die eine Struktur ist, die den gesamten Roboter 1 trägt. Eine Y-Achsen-Bewegungseinheit (bewegliche Einheit) 11 ist an der Y-Basis 10 so angebracht, dass sie entlang der Y-Basis 10 eine Hin- und Herbewegung ausführen kann. Die Y-Achsen-Bewegungseinheit 11 entspricht einer beweglichen Einheit, deren Position sich während des Betriebs des Roboters 1 verändert. Die Richtung, in der sich die Y-Basis 10 erstreckt, wird nachstehend der Einfachheit halber als die Y-Achsen-Richtung bezeichnet.
Die Y-Basis 10 ist zu einem hohlen, im Wesentlichen rechteckigen Stab ausgebildet. Eine Mehrzahl von Riemenscheiben und Riemen, die die Riemenscheiben verbinden, sind innerhalb der Y-Basis 10 angeordnet. Wenn die Riemenscheiben und Riemen durch einen Y-Achsenmotor (Antriebseinheit) 13 (siehe 1B) angetrieben werden und einen Trägerplatte 12 sich bewegt, bewegt sich damit einhergehend die Y-Achsen-Bewegungseinheit 11, die an der Trägerplatte 12 befestigt ist. Die Y-Achsen-Bewegungseinheit 11 ist mit der Seite der Y-Basis 10 durch ein Kabel elektrisch verbunden, das innerhalb eines Cableveyor (registrierte Marke) 14 verdrahtet ist.
Eine X-Achsen-Bewegungseinheit 15 ist an der Y-Achsen-Bewegungseinheit 11 angebracht. Die X-Achsen-Bewegungseinheit 15 entspricht einer beweglichen Einheit, deren Position sich während des Betriebs des Roboters 1 verändert.
Die X-Achsen-Bewegungseinheit (bewegliche Einheit) 15 ist zu einem hohlen, im Wesentlichen rechteckigen Stab ausgebildet. Die X-Achsenbewegungseinheit 15 weist eine X-Basis (einen voraussichtlichen bzw. prognostizierten Kollisionsabschnitt) 16 auf, der sich in einer Richtung senkrecht zu der Y-Basis 10 erstreckt. Die X-Basis 16 entspricht einer Struktur (Rahmen), die die äußere Form einer beweglichen Einheit ausbildet. Die Richtung, in der sich die X-Basis 16 erstreckt, wird nachstehend der Einfachheit halber als die X-Achsen-Richtung bezeichnet. Eine Mehrzahl von Riemenscheiben und Riemen, die die Riemenscheiben verbinden, sind innerhalb der X-Basis 16 angeordnet. Eine Trägerplatte (ein prognostizierter Kollisionsabschnitt) 17 wird aufgrund dessen bewegt, dass die Riemenscheiben durch einen X-Achsenmotor (Antriebseinheit) 18 angetrieben werden (siehe 1B). Die X-Achsen-Bewegungseinheit 15, die an der Trägerplatte 17 befestigt ist, bewegt sich ebenfalls einhergehend mit der Bewegung der Trägerplatte 17. Der X-Achsen-Motor 18 ist innerhalb eines X-Motorgehäuses (prognostizierter Kollisionsabschnitt) 19, das an einem Endbereich der X-Basis 16 angeordnet, aufgenommen. Das X-Motorgehäuse 19 entspricht einer Struktur, die die äußere Form einer beweglichen Einheit ausbildet.
Eine Z-Achsen-Bewegungseinheit (bewegliche Einheit) 20 ist an der X-Achsenbewegungseinheit 15 angebracht. Die Z-Achsen-Bewegungseinheit 20 entspricht einer beweglichen Einheit, der Position sich während des Betriebs des Roboters 1 verändert. Die Z-Achsen-Bewegungseinheit 20 ist mit der Seite der X-Achsen-Bewegungseinheit 15 durch ein Kabel elektrisch verbunden, das innerhalb eines Cableveyor 22 (registrierte Marke), der auf einer Schiene (prognostizierter Kollisionsabschnitt) 21 angeordnet ist, verdrahtet ist.
Die Z-Achsen-Bewegungseinheit 20 ist zu einem hohlen, im Wesentlichen rechteckigen Stab ausgebildet. Die Z-Achsen-Bewegungseinheit 20 weist eine Z-Basis (einen prognostizierten Kollisionsabschnitt) 23 auf, der sich in einer Richtung senkrecht zu sowohl der X-Achse als auch der Y-Achse erstreckt. Die Z-Basis 23 entspricht einer Struktur, die die äußere Form einer beweglichen Einheit ausbildet. Die Richtung, in der die Z-Basis 23 sich erstreckt, wird nachstehend der Einfachheit halber als Z-Achsen-Richtung bezeichnet.
Eine trapezförmige Gleitwelle (nicht gezeigt), die sich in der Z-Achsenrichtung erstreckt, ist im Inneren der Z-Basis 23 drehbar angeordnet. Darüber hinaus ist eine trapezförmige Gleitmutter (nicht gezeigt) auf die trapezförmige Gleitwelle geschraubt. Die trapezförmige Gleitmutter ist an der Trägerplatte 17 der X-Achsen-Bewegungseinheit 15 fest angebracht. Darüber hinaus ist ein Z-Motor-Gehäuse (ein prognostizierter Kollisionsabschnitt) 25, in dem der Z-Achsen-Motor (Antriebseinheit) 24 aufgenommen ist (siehe 1B), in dem Endbereich der Z-Basis 23 angeordnet, die oben in 1A gezeigt ist. Das Z-Motor-Gehäuse 25 entspricht einer Struktur, die die äußere Form einer beweglichen Einheit ausbildet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Trägerplatte 17 der X-Achsen-Bewegungseinheit 15 zu einer Form ausgebildet, die einer im Wesentlichen planaren Platte entspricht, die in einem rechten Winkel gebogen ist. Die Trägerplatte 17 ist so angeordnet, dass eine Oberfläche derselben parallel zu der XY-Ebene ist und an der trapezförmigen Gleitmutter für eine X-Achsen-Bewegung angebracht ist. Die andere Oberfläche ist parallel zu der XY-Ebene, die senkrecht zu der XY-Ebene ist. Die trapezförmige Gleitmutter für die Z-Achsen-Bewegung ist an der Seite der Oberfläche parallel zu der XZ-Ebene angebracht.
Weil die trapezförmige Gleitmutter an sich an der Seite der X-Achsen-Bewegungseinheit 15 befestigt ist, bewegt sich daher die trapezförmige Gleitmutter in der Z-Achsenrichtung, wenn die trapezförmige Gleitmutter für die Z-Achse durch den Z-Achsen-Motor 24 drehbar angetrieben wird (siehe 1B). Somit bewegt sich die gesamte Z-Achsen-Bewegungseinheit 20, die den Z-Achsenmotor 24 beinhaltet, in der Z-Achsenrichtung.
Das Spannfutter 2 ist an der vorderen Seite (der Seite des unteren Endbereichs in 1A) der Z-Achsenbewegungseinheit 20 angebracht. Das Spannfutter 2 wird durch die X-Achsen-Bewegungseinheit 15 und die Z-Achsen-Bewegungseinheit 20 positioniert, die basierend auf Befehlen von dem Controller 3 bewegt wird. Somit werden Betriebsabläufe, wie z. B. ein Pick-and-Place bzw. Bestücken eines Werkstücks, ausgeführt. Dabei bewegen sich die X-Achsen-Bewegungseinheit 15 und die Z-Achsen-Bewegungseinheit 20 innerhalb von vorbestimmten Bereichen.
In dem Roboter 1, der wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, kann die bewegliche Einheit, wie z. B. die X-Achsen-Bewegungseinheit 15 oder die Z-Achsen-Bewegungseinheit 20, deren Position sich während des Betriebs des Roboters 1 verändert, mit einem Objekt kollidieren, das sich innerhalb eines Arbeitsbereiches G (siehe 1A) befindet. Selbst wenn ein Objekt außerhalb des Arbeitsbereiches G positioniert ist, kann eine Hand oder ein Finger einer Person sich z. B. zwischen dem Außenkantenbereich der beweglichen Einheit, d. h. einer Struktur, wie z. B. der X-Basis 16, der Z-Basis 23, oder einem Motorgehäuse, das die äußere Form des Roboters 1 ausbildet, und einem peripheren Objekt verfangen.
In anderen Worten besteht die Gefahr einer Kollision, eines Verfangen und dergleichen innerhalb des Bereichs der Bewegung der beweglichen Einheit (der nachstehend als der Bewegungsbereich bezeichnet wird) oder genauer des Bereichs der Bewegung des äußersten Kantenbereichs der beweglichen Einheit. Daher werden im Allgemeinen Sicherheitsmaßnahmen ergriffen, wie z. B. das Umschließen des Roboters 1 mit einer Sicherheitsschranke oder dergleichen, um zu verhindern, dass eine Person den Bewegungsbereich betritt.
In dem tatsächlichen Arbeitsbereich ist jedoch ein Betreten des Bewegungsbereichs möglich. Darüber hinaus sind in den letzten Jahren Bemühungen zur Verbesserung der Arbeitseffizienz durch eine Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter 1 unternommen worden. In solchen Fällen arbeiten Menschen und Roboter 1 unentwegt eng zusammen. Daher ist eine Implementierung zuverlässigerer Sicherheitsmaßnahmen erwünscht. Das heißt, dass eine Realisierung der Eigensicherheit des Roboters 1 erwünscht ist.
In solchen Fällen kann als in dem Roboter 1 (einschließlich der umliegenden Umgebung des Roboters 1) implementierte Sicherheitsmaßnahmen zunächst darüber nachgedacht werden, zu verhindern, dass sich das vorstehend beschriebene Kollidieren, Verfangen und dergleichen ereignet. Insbesondere kann ein Bereitstellen einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Objekten, wie z. B. Personen, und ein Ausführen einer Steuerung zum Verhindern eines Kollidierens mit dem Objekt oder eines Verfangen des Objekts basierend auf dem Erfassungsergebnis in Betracht gezogen werden. Sollte jedoch die Erfassungseinrichtung defekt sein oder die Steuerung aufgrund eines Ausreißerprogramms oder dergleichen nicht korrekt ausgeführt werden, kann eine Kollidieren oder ein Verfangen nicht verhindert werden. Darüber hinaus müssen zahlreiche Erfassungseinrichtungen bereitgestellt werden, um die bewegliche Einheit als Ganzes einer Erfassung aussetzen zu können, was einen erheblichen Anstieg von Gewicht und Kosten zur Folge hat.
Als eine weitere Sicherheitsmaßnahme kann ein Bereitstellen eines Mechanismus zum Reduzieren einer Aufprallkraft bei einer Kollision oder dergleichen und ein Reduzieren einer Beschädigung des Objekts ebenfalls in Betracht gezogen werden. In diesem Fall kann der Vorstellung zufolge eine weitere Beschädigung des Roboters 1 und des Objekts verringert werden, falls sich eine Kollision ereignen sollte. Weil ein Mechanismus wie dieser den Betrieb jedoch erst startet, nachdem sich eine Kollision ereignet hat, erfährt das Objekt die Aufprallkraft im Augenblick der Kollision. Daher kann nur schwer behauptet werden, dass Sicherheit gewährleistet werden kann, wenn ein Mensch als ein Subjekt angesehen wird.
Wenn außerdem ein Mechanismus wie dieser bereitgestellt wird, muss die Leistungsabgabe eines Motors, der als eine Antriebseinheit dient, aufgrund der Zunahme des Gewichts der beweglichen Einheit erhöht werden. Wenn die Leistungsabgabe des Motors erhöht wird, entstehen dahingehend Bedenken, dass die Einwirkungen auf den menschlichen Körper aufgrund der Zunahme der bei der Kollision ausgeübten Kraft tatsächlich stärker werden. Wenn zudem die Abmessungen des Motors zunehmen, wird auch das Motorengehäuse zum Aufnehmen des Motors größer, was größere Abmessungen des Roboter 1 zur Folge hat. Dadurch vergrößert sich die äußere Form der beweglichen Einheit. Der Bewegungsbereich muss dadurch reduziert werden, so dass eine Beeinträchtigung anderer Bereiche verhindert werden kann. Der Arbeitsbereich G verkleinert sich, und eine Verringerung der Arbeitseffizienz ist möglich.
Auf diese Weise wäre eine Realisierung der sogenannten Eigensicherheit in dem Roboter 1 durch herkömmliche Sicherheitsmaßnahmen nicht möglich, ohne eine Vergrößerung der Abmessungen in dem Roboter 1 und einen reduzierten Wirkungsgrad zu bewirken. Wenn außerdem der Aufgabe zufolge ein Einwirken auf den menschlichen Körper im Fall einer Kollision oder eines Verfangens verhindert werden soll, sind eine Steuerung zum Verhindern einer Kollision und eines Verfangens im Voraus, ein Mechanismus, der den Betrieb erst startet, wenn sich bereits eine Kollision oder ein Verfangen ereignet hat, und ähnliches von vornherein nicht hilfreich.
Als eine weitere Sicherheitsmaßnahme kann über ein Ausbilden einer Struktur einer beweglichen Einheit unter Verwendung eines Materials, das eine Aufprallkraft absorbiert oder reduziert, nachgedacht werden. Wenn jedoch die Struktur an sich aus einem elastischen Material besteht, kann die Struktur sich während einer Bewegung verformen oder in Schwingung versetzt werden, und eine korrekte Positionierung ist eventuell nicht möglich. Darüber hinaus kann auch über ein Anbringen eines aus einem Urethanmaterial oder dergleichen bestehenden Dämpfungselements an einer Struktur, die aus einem verbiegungssteifen Material besteht, wie z. B. einem Metallmaterial, nachgedacht werden. In diesem Fall nehmen jedoch die Abmessungen der beweglichen Einheit, wie vorstehend beschrieben, zu. Die Verwendung dieser Sicherheitsmaßnahme wird daher nicht bevorzugt, wenn der Wirkungsgrad durch Zusammenarbeit mit Menschen verbessert werden soll.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden hier Einwirkungen auf den menschlichen Körper im Falle einer Kollision oder eines Verfangens durch eine angemessene Konstruktion der Form des Roboters 1 verhindert. Ein Verfahren zum Konstruieren der Form, die einen Sicherheitsstandardwert für Druck erfüllen soll, und ein Beispiel einer tatsächlichen Anwendung auf den Roboter 1 werden nachstehend beschrieben.
Zunächst wird nachstehend ein grundlegendes Konzept der Konstruktion beschrieben.
Im Roboter 1 besteht ein Kollisionsrisiko, wie z. B. das Risiko einer Kollision und eines Verfangens, wie vorstehend beschrieben. Zur Realisierung der Eigensicherheit in dem Roboter 1 sind daher Standardwerte (die den Sicherheitsstandardwerten entsprechen) in Bezug auf eine Druckkraft, eine Aufprallkraft und einen für den menschlichen Körper zulässigen Druck sowie ein Komprimierbarkeitskoeffizient, der den Standardwerten zugeordnet ist, durch internationale Standards für einen jeweiligen Teil des menschlichen Körpers vorgeschrieben. Von den Sicherheitsstandardwerten sind die Sicherheitsstandardwerte für Druckkraft und Aufprallkraft basierend auf Berechnungen und Messungen vorgeschrieben. Für den Sicherheitsstandardwert für Druck ist jedoch keine theoretische Einrichtung eingerichtet worden. Da sich eine Messung schwierig gestaltet, ist darüber hinaus ein Schätzwert vorgeschrieben.
Beim Konstruieren des Roboters 1 können daher die Sicherheitsstandardwerte für Druckkraft und Aufprallkraft ohne weiteres in den Konstruktionswerten des Roboters 1 wiedergegeben werden. Die Wiedergabe des Sicherheitsstandardwerts für Druck in den Konstruktionswerten gestaltet sich schwierig.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist daher eine Einrichtung zum Wiedergeben des Sicherheitsstandardwerts für Druck in den Konstruktionswerten des Roboters 1 eingerichtet. In anderen Worten wird ein Formkonstruktionsverfahren zum Konstruieren des Roboters 1, der den Sicherheitsstandardwert für Druck erfüllt, eingerichtet.
Druck kann als die Kraft bestimmt werden, die pro Flächeneinheit ausgeübt wird. Geht man z. B. von einer Kollision zwischen einem Endbereich der Z-Basis 23 und einer menschlichen Hand 30 aus, wie in 2A gezeigt ist, nimmt die Aufprallkraft bei der Kollision ab, wenn die Druckkraft abnimmt, und die Druckkraft wird verteilt, und der Druck nimmt mit zunehmender Kontaktfläche ab, wie in 2B gezeigt ist.
Daher wird berücksichtigt, dass die Aufprallkraft auf den menschlichen Körper innerhalb eines zulässigen Bereichs (der nachstehend der Einfachheit halber auch als ein Sicherheitsbereich R_safe bezeichnet wird) gehalten werden kann, wenn die Druckkraft, die durch Spezifikationen bzw. Vorgaben, wie z. B. eine Motorleistungsabgabe, bestimmt wird, auf einen Bereich unter dem Sicherheitsstandardwert für Druck (wie z. B. 60 [N/cm²] in 2B) und unter dem Standardwert für Druckkraft (wie z. B. 135 [N] in 2B), die durch internationale Standards vorgeschrieben sind, eingestellt wird.
Der Wert 60 [N/cm²] (= 0,60 [N/mm²]), der in 2B angezeigt ist, ist der Sicherheitsstandardwert für Druck, wenn der Finger als der ausgesetzte Teil des menschlichen Körpers dient. Die internationalen Standards schreiben die Obergrenze des Sicherheitsstandardwerts für Druckkraft, die auf den Finger ausgeübt werden kann, als 135 [N] vor. Die Obergrenze des Sicherheitsstandardwerts für Aufprallkraft, die auf den Finger ausgeübt werden kann, ist als 180 [N] vorgeschrieben.
Neben der Druckkraft muss daher die Aufprallkraft auf einen Bereich unterhalb des Standardwerts eingestellt werden, der 180 [N/cm²] beträgt, wie in 2C gezeigt ist. Darüber hinaus sind für andere Teile des menschlichen Körpers, wie z. B. Bein und Arm, gleichermaßen Sicherheitsstandardwerte vorgeschrieben. Die Sicherheitsstandardwerte für den Finger, der zu den Teilen gehört, deren Beteiligung an einer Kollision oder einem Verfangen mit dem Roboter 1 als wahrscheinlich angenommen wird, sind auf die strengsten (niedrigsten) Werte eingestellt.
Um eine Form gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu konstruieren, die den Sicherheitsstandardwert für Druck erfüllt, wird zunächst ein Modell eines Kollisionszustands zwischen dem Roboter 1 und dem menschlichen Körper basierend auf den Sicherheitsstandardwerten und einem charakteristischen Wert (dem vorstehend beschriebenen Komprimierbarkeitskoeffizienten) des menschlichen Körpers erstellt.
3 zeigt den modellierten Roboter 1 und den menschlichen Finger. In 3 wird der Roboter 1 als ein prognostizierter Kollisionsabschnitt M1 angezeigt, und der Finger wird als ein kollidierter Abschnitt M2 angezeigt. Der prognostizierte Kollisionsabschnitt M1 wird durch einen Motor mit einer MotorSchubkraft Fm [N] angetrieben und wird so modelliert, dass er eine Kollisionsgeschwindigkeit V [m/sec] und eine Trägheitsmasse M [kg] aufweist. Der prognostizierte Kollisionsabschnitt M1 entspricht der äußeren Form einer beweglichen Einheit des Roboters 1, die ein Abschnitt ist, der möglicherweise mit einem menschlichen Körper kollidieren kann, wie z. B. ein Eckbereich der X-Basis 16 oder der Z-Basis 23, der zu einer im Wesentlichen rechteckigen Stabform ausgebildet ist, oder ein Eckbereich eines Motorgehäuses.
In dem kollidierten Abschnitt M2 wird ein Verformungsbetrag (eine Eindringtiefe, die nachstehend beschrieben wird), in dessen Ausmaß sich eine Verformung ereignet, wenn sich eine Kollision mit dem prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 ereignet, basierend auf dem Komprimierbarkeitskoeffizienten k [N/m] und einer Kontaktfläche S[m²] zwischen dem prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 und dem kollidierten Abschnitt M2 modelliert, wenn sich eine Kollision mit dem prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 ereignet.
Zum Bestimmen des auf den kollidierten Abschnitt M2 ausgeübten Drucks muss die Druckkraft bei der Kollision durch den prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 bestimmt werden. Wie hinreichend bekannt ist, kann die Druckkraft F [N] anhand elektrischer Spezifikationen bzw. Vorgaben, wie z. B. eines Motordrehmoments oder eines Strombegrenzungsverhältnisses, oder anhand mechanischer Spezifikationen bzw. Vorgaben, wie z. B. eines Durchmessers einer Riemenscheibe und jenen, die auf eine Kugelumlaufspindel bezogen sind, wie z. B. eine Ganghöhe bzw. Steigung, berechnet werden. In diesem Fall kann die maximale Druckkraft F des Testroboters 1 bestimmt werden, wenn ein maximaler Drehmomentwert verwendet wird. Der maximale Wert der Druckkraft F muss die vorstehend beschriebenen internationalen Standards erfüllen.
Als Referenz ist in einem typischen kartesischen Koordinaten-Roboter die Druckkraft der Z-Achsen-Bewegungseinheit 20 häufig die größte. Ein Grund dafür ist, dass in der Z-Achsen-Bewegungseinheit 20 die Steigung der trapezförmigen Gleitmutter so ausgelegt ist, dass sie so klein ist, dass ein Herabfallen aufgrund der Schwerkraft verhindert wird. Selbst wenn somit die Leistungsabgabe eines jeweiligen Motors gleich ist, weist die Z-Achsen-Bewegungseinheit 20, deren Bewegungsdistanz pro Frequenzeinheit des Motors kurz ist, die höchste Druckkraft auf.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird daher der maximale Wert der Druckkraft des Z-Achsen-Motors 24 berechnet und verwendet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Druckkraft des Z-Achsen-Motors 24 110 [N] und erfüllt die internationalen Standards (135 [N]). Wenn z. B. die Druckkraft des Y-Achsen-Motors 13, der die X-Achsen-Bewegungseinheit 15 und die Z-Achsen-Bewegungseinheit 20 antreibt, die größte ist, kann natürlich diese Druckkraft verwendet werden.
Wenn sich bestätigt hat, dass die Druckkraft die internationalen Standards erfüllt, kann als nächstes ein Druck dadurch bestimmt werden, dass die Kontaktfläche S bestimmt wird. In diesem Fall kann die Kontaktfläche S anhand der Druckkraft F, der Form des prognostizierten Kollisionsabschnitts M1 und des Verformungsbetrags des kollidierten Abschnitts M bestimmt werden, wenn auf sie mit der Druckkraft F durch den Abschnitt M1 des prognostizierten Kollidierens Druck ausgeübt wird. Der Verformungsbetrag des kollidierten Abschnitts M kann anhand des Komprimierbarkeitskoeffizienten k bestimmt werden.
Die nachstehenden beiden Verfahren können bei der Modellierung des Fingers in Betracht gezogen werden. In einem ersten Verfahren wird der Finger basierend auf der Annahme modelliert, dass der Querschnitt des Fingers im Wesentlichen viereckig ist (Modell A, das nachstehend beschrieben wird). In einem zweiten Verfahren wird der Finger basierend auf der Annahme modelliert, dass der Querschnitt des Fingers im Wesentlichen kreisförmig ist (Modell B, das nachstehend beschrieben wird). Die beiden Verfahren werden nachstehend getrennt voneinander erläutert. Beide Verfahren basieren jedoch auf einem gemeinsamen technischen Konzept einer Bestimmung eines Drucks basierend auf der Form des prognostizierten Kollisionsabschnitts M1 (Roboter) und dem Verformungsbetrag des kollidierten Abschnitts M2 (menschlicher Finger), wenn sich eine Kollision mit dem prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 ereignet.
(Modell A)
4A ist eine schematische Darstellung eines Zustands, in dem sich die Kollision mit dem prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 ereignet und auf den kollidierten Abschnitt M durch den prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 Druck ausgeübt wird. 4A zeigt eine Ansicht von einer Seitenoberfläche des Fingers. Von dem prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 wird angenommen, dass er z. B. dem unteren Ende der Z-Basis 23 entspricht.
Der prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 ist derart ausgebildet, dass der Krümmungsradius desselben R ist. Es ist eine Aufgabe gemäß der vorliegenden Ausführungsform, den Krümmungsradius R zu bestimmen, oder in anderen Worten ein Konstruktionsverfahren zu schaffen, durch das die Form (insbesondere die äußere Form) der beweglichen Einheit, die dem prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 entspricht, bestimmt wird.
Eine Eindringtiefe d [m] des kollidierten Abschnitts M2 kann anhand des Komprimierbarkeitskoeffizienten k bestimmt werden. In anderen Worten kann der Komprimierbarkeitskoeffizient k auch als ein Elastizitätskoeffizient des Fingers betrachtet werden. Daher kann d = F/k basierend auf dem Hook'schen Gesetz berechnet werden. Wenn die Eindringtiefe d bestimmt wird, wird eine Kontaktbreite Wc [m], die in 4A angezeigt ist, mathematisch bestimmt als Wc = 2 × R × cos^–1(R – (F/k))/R). Wenn außerdem die Kontaktbreite Wc bestimmt ist, und wenn der Querschnitt der Breite Wf des kollidierten Abschnitts M2 im Wesentlichen einem Quadrat entspricht, wie in 4B gezeigt ist, kann die Kontaktfläche S [m²] als S = Wc × Wf bestimmt werden. Cf zeigt schematisch die Mittelposition des kollidierten Abschnitts M2 an.
Wenn die Kontaktfläche S bestimmt ist, kann der Druck P [N/mm²] wie im Ausdruck (3) unten bestimmt werden.
Wenn der Druck P unter 0,60 [N/mm²] liegt, was dem vorstehend beschriebenen Sicherheitsstandardwert entspricht, ist die Sicherheitsanforderung, die durch die internationalen Standards vorgeschrieben ist, erfüllt. In anderen Worten kann der Sicherheitsstandardwert erfüllt werden, wenn der Sicherheitsstandardwert für Druck Ps ist, wenn die Form des Roboters 1, was den Bedingungen von Ausdruck (3) entspricht, so konstruiert ist, dass sie die Beziehung von P ≤ Ps erfüllt. Somit kann ein Roboter 1, in dem eine Eigensicherheit realisiert ist, hergestellt werden.
Auf diese Weise kann infolge der äußeren Form der beweglichen Einheit des Roboters 1, wie z. B. des Eckbereichs der X-Basis 16 oder der Z-Basis 23, die auf eine gekrümmte Form (eine sogenannte R-Form) mit dem Krümmungsradius R eingestellt ist, indem P in Ausdruck (3) P ≤ Ps erfüllt, und nicht auf einen einfachen rechten Winkel eingestellt ist, der Sicherheitsstandard erfüllt werden.
(Modell B)
In Modell B, wie in 5 gezeigt ist, wird ein Modell, in dem der Querschnitt eines Durchmessers Rf im Wesentlichen kreisförmig ist, als der kollidierte Abschnitt M2 angenommen. Cf zeigt schematisch die Mittelposition des kollidierten Abschnitts M2 an. Dabei wird eine Kollision mit dem prognostizierten Kollisionsabschnitt M1, die eine Verformung des kollidierten Abschnitts M2 hervorruft, berücksichtigt, wie in 5 gezeigt ist.
Dabei kann auf eine Weise ähnlich der in dem vorstehend beschriebenen Modell A der Druck P durch den Ausdruck (4) unten bestimmt werden, wenn angenommen wird, dass der Finger eine kreisförmige Form aufweist, indem die Eindringtiefe d, die Kontaktbreite Wc, die Kontaktfläche S und dergleichen mathematisch bestimmt werden.
Wenn der Druck P 0,60 [N/mm²] unterschreitet, was dem vorstehend beschriebenen Sicherheitsstandard entspricht, wird die Sicherheitsanforderung, die durch die internationalen Standards vorgeschrieben ist, erfüllt. In anderen Worten kann der Sicherheitsstandard erfüllt werden, wenn der Sicherheitsstandard für Druck Ps ist, und wenn die Form des Roboters 1, was den Bedingungen von Ausdruck (4) entspricht, so konstruiert ist, dass sie die Beziehung von P ≤ Ps erfüllt. Somit kann ein Roboter 1, indem die Eigensicherheit realisiert ist, hergestellt werden.
Auf diese Art und Weise kann aufgrund der äußeren Form der beweglichen Einheit des Roboters 1, wie z. B. des Eckbereichs der X-Basis 16 oder der Z-Basis 23, die auf eine gekrümmte Form (eine sogenannte R-Form) mit dem Krümmungsradius R eingestellt ist, in dem P im Ausdruck (4) P ≤ Ps erfüllt, und nicht auf einen einfachen rechten Winkel eingestellt ist, der Sicherheitsstandard erfüllt werden.
Ein spezifisches Beispiel für Modell B ist folgendermaßen. Wenn die maximale Schubkraft (= maximaler Wert der Druckkraft) des Z-Achsen-Motors 24, der anhand der Spezifikationen des Roboters 1 an dem unteren Endbereich der Z-Basis 23 bestimmt wird, näherungsweise 61 [N] beträgt, und der Durchmesser Rf des Fingers 0,018 [m] beträgt, wenn der Krümmungsradius im Wesentlichen 0,005 m beträgt (= 5 mm) beträgt, beträgt der Druck P näherungsweise 59 [N/mm²]. Somit ist klar, dass zum Erreichen eines Drucks P, der unter 60 [N/mm²] ist, was dem Sicherheitsstandardwert entspricht, der untere Endbereich (Eckbereich) der Z-Basis 23 so konstruiert sein sollte, dass der Krümmungsradius R > 5 mm ist.
Hier sind 5 mm, was dem Standardwert des Krümmungsradius R in dem spezifischen Beispiel entspricht, lediglich ein Beispiel. Wenn z. B. die Druckkraft gering ist, wie z. B., wenn die Leistungsabgabe des Motors gering ist, kann der Standardwert weniger als 5 mm betragen. Wenn umgekehrt die Druckkraft hoch ist, z. B. wenn die Leistungsabgabe des Motors groß ist, kann der Standardwert mehr sein als 5 mm betragen.
Auf diese Weise wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform angenommen, dass der Finger, der strengsten Sicherheitsstandards unterliegt, dem kollidierten Abschnitt M2 entspricht. Die maximale Druckkraft wird anhand der Spezifikationen des Roboters 1 bestimmt. Die Eindringtiefe wird anhand der Druckkraft bestimmt. Die Kontaktfläche wird anhand der Eindringtiefe bestimmt. Dadurch wird der bei Kontakt mit dem menschlichen Körper entstehende Druck bestimmt. Die Form des Roboters 1 ist so konstruiert, dass dieser Druck, d. h. der Druck, der ausgeübt wird, wenn eine bewegliche Einheit mit dem menschlichen Körper bei einer maximalen Schubkraft kollidiert, den Sicherheitsstandard erfüllt, der durch die internationalen Standards vorgeschrieben ist.
6 zeigt ein Beispiel des prognostizierten Kollisionsabschnitts M1. Der prognostizierte Kollisionsabschnitt M1, in dem sich ein Verfangen ereignen kann, ist in 6 durch die gestrichelten Linien schematisch gezeigt. Der Eckbereich einer Struktur kann als der prognostizierte Kollisionsabschnitt M1 angewendet werden. Der prognostizierte Kollisionsabschnitt M1 entspricht z. B. einem Endbereich 16a der X-Basis 16, einem Endbereich 17a der Trägerplatte 17, einem Endbereich 19a des X-Motorgehäuses 19, einem Endbereich 21a der Schiene 21, einem Endbereich 23a der Z-Basis 23, einem Endbereich 25a des Z-Motorgehäuses 25 oder dergleichen.
Der prognostizierte Kollisionsabschnitt M1, der in 6 gezeigt ist, ist ein Beispiel. Abschnitte, die in der perspektivischen Ansicht und dergleichen nicht gezeigt sind, sind ebenfalls als prognostizierter Kollisionsabschnitt M1 festgelegt. Eine Schiene 26, die entlang der Y-Basis 10 angeordnet ist, ist nicht beweglich und ist daher von der an Anwendbarkeit als prognostizierter Kollisionsabschnitt M1 ausgeschlossen. Darüber hinaus kommt es in einem Endbereich 23b der Z-Basis 23 auf der Seite der Trägerplatte 17 und dergleichen zu keinem Verfangen. Daher sind diese Abschnitte genauso von der Anwendbarkeit ausgeschlossen. Diese Abschnitte können jedoch herangezogen werden, wenn eine Kollision in Betracht gezogen wird.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können folgende Effekte erreicht werden.
In dem Roboter 1 ist die Form des prognostizierten Kollisionsabschnitts M1, der, von den beweglichen Abschnitten, mit dem menschlichen Körper während einer Bewegung kollidieren kann, so festgelegt, dass der auf den menschlichen Körper einwirkende Druck (kollidierte Abschnitt M1), wenn er bei einer maximalen Schubkraft durch einen Motor angetrieben wird und mit dem menschlichen Körper kollidiert, den Sicherheitsstandardwert für Druck, der im Voraus für den menschlichen Körper vorgeschrieben ist, erfüllt. Somit wird der Sicherheitsstandardwert für Druck, der auf den menschlichen Körper ausgeübt wird, nicht überschritten, selbst wenn ein Abschnitt M1 des prognostizierten Kollidierens, wie z. B. der äußere Randbereich der X-Basis 16, mit einem menschlichen Körper kollidiert.
Wenn darüber hinaus die X-Basis 16 und die Z-Basis 23 eine äußere Form von einer im Wesentlichen rechteckigen Stabform aufweisen, sind die X-Basis 16 und die Z-Basis 23 im Wesentlichen planar (d. h. der Krümmungsradius derselben ist unendlich), wobei die Eckbereiche davon ausgenommen sind. Daher kann der Sicherheitsstandardwert für Druck erfüllt werden, selbst sich wenn eine Kollision mit der Seitenoberfläche oder dergleichen ereignet, solange der Druck den Sicherheitsstandard erfüllt, wenn sich eine Kollision mit dem Eckbereich ereignet.
Darüber hinaus wird durch die Form des prognostizierten Kollisionsabschnitts M1 eine Struktur erhalten die einen Druck reduziert. Wenn im Gegensatz dazu das vorstehend erwähnte Dämpfungsmaterial und dergleichen verwendet wird, nehmen die Abmessungen der äußeren Form daher nicht zu.
Aufgrund der Tatsache, dass der Eckbereich als der prognostizierte Kollisionsabschnitt M1 dient, kann zudem eine übermäßige Vergrößerung der Abmessungen verhindert werden. In einem kartesischen Koordinaten-Roboter, wie z. B. dem Roboter 1, ist im Inneren Raum zum Unterbringen von Riemenscheiben und Riemen notwendig. Wenn in diesem Fall die X-Basis 16 zu einem Rundstab ausgebildet ist, vergrößert sich die äußere Form im Vergleich zu der eines Rechteckstabs. Aufgrund der Tatsache, dass der Eckbereich als der prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 dient, kann somit Sicherheit gewährleistet werden, ohne eine unnötige Vergrößerung der Abmessungen hervorzurufen.
Eigensicherheit kann in dem Roboter 1 darüber hinaus durch Verwendung eines Konstruktionsverfahrens, wie z. B. dem vorstehend beschriebenen, oder anders ausgedrückt dem nachstehend beschriebenen Formkonstruktionsverfahren realisiert werden. In dem Verfahren wird die Druckkraft (F), wenn der prognostizierte Kollisionsabschnitt M1, der, von den beweglichen Einheiten, mit einem menschlichen Körper während einer Bewegung kollidieren kann, mit dem menschlichen Körper kollidiert, basierend auf den Vorgaben der Antriebseinheit bestimmt. Die Eindringtiefe (d), um die der prognostizierte Kollisionsabschnitt M1 in den menschlichen Körper bei einer Kollision einsinkt, wird basierend auf der Druckkraft und dem Komprimierbarkeitskoeffizienten (k) das menschlichen Körpers, der im Voraus vorgeschrieben sind, bestimmt. Die Kontaktfläche (S) zwischen dem menschlichen Körper und dem prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 wird basierend auf der Eindringtiefe und der Form (dem Krümmungsradius R) des prognostizierten Kollisionsabschnitts M1 bestimmt. Der Druck (P), der auf den menschlichen Körper durch den prognostizierten Kollisionsabschnitt M1 ausgeübt wird, wird basierend auf der Kontaktfläche und der Druckkraft bestimmt. Die Form des prognostizierten Kollisionsabschnitts M1 ist so konstruiert, dass der auf den menschlichen Körper ausgeübte Druck den Sicherheitsstandardwert für Druck, der im Voraus vorgeschrieben wird, unterschreitet.
Der Finger kann im Vergleich zu anderen Teilen des menschlichen Körpers sogar mit einer relativ geringen Kraft beschädigt bzw. verletzt werden. Indem der Krümmungsradius R des prognostizierten Kollisionsabschnitts M1 auf einen Bereich eingestellt wird, der die Sicherheitsstandardwerte erfüllt, kann somit der Teil des menschlichen Körpers, der am anfälligsten für eine Beschädigung ist, geschützt werden.
Darüber hinaus sind die Sicherheitsstandardwerte für andere Teile, wie z. B. den Oberarm, laut Vorschrift relativ höher als jene für den Finger. Wenn die Sicherheitsstandardwerte für den Finger erfüllt sind, können somit natürlich die Sicherheitsstandards für die anderen Teile erfüllt werden.
Wenn in diesem Fall der Finger so modelliert ist, dass die Querschnittsform desselben ein Quadrat mit der Breite Wf ist, wie in Modell A, ist der Komprimierbarkeitskoeffizient des Fingers k, und der maximalen Wert der vorgeschriebenen Sicherheitsstandards für Druck ist Ps, dann muss der Krümmungsradius R lediglich auf einen Bereich eingestellt werden, indem P im Ausdruck (3) P ≤ Ps erfüllt. Folglich kann ein die Sicherheitsstandardwerte erfüllender Roboter 1 konstruiert werden.
Der Finger kann zudem so modelliert werden, dass die Querschnittsform desselben ein Kreis ist mit einem Durchmesser Rf, wie in Modell B. Der Krümmungsradius R muss lediglich auf einen Bereich eingestellt werden, indem P im Ausdruck (4) P ≤ Ps erfüllt. Auch in diesem Fall kann ein die Sicherheitsstandardwerte erfüllender Roboter 1 konstruiert werden. Ob das Modell A oder das Modell B zu verwenden ist, kann nach Bedarf entschieden werden.
Aufgrund der Tatsache, dass der Sicherheitsstandardwert für Druck erfüllt ist, kann darüber der Sicherheitsstandardwert für Aufprallkraft genauso erfüllt werden, wie 2C deutlich zu entnehmen ist.
(Andere Ausführungsformen)
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Konfiguration beschränkt, die als ein Beispiel gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert worden ist. Es können willkürlich Modifikationen, Kombinationen und Erweiterungen vorgenommen werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die beispielhaft angegebenen numerischen Werte gemäß der Ausführungsform sind Beispiele. Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Das heißt, dass der Sicherheitsstandardwert sich ändert, wenn sich das ausgesetzte Teil des menschlichen Körpers ändert. Wenn sich der Sicherheitsstandardwert ändert, verändert sich auch der Krümmungsradius. Sollten darüber hinaus die Sicherheitsstandardwerte an sich überholt werden, verändert sich auch der Soll-Krümmungsradius. Auch in diesen Fällen kann Eigensicherheit dadurch realisiert werden, dass die Form des Roboters so konstruiert wird, dass der Krümmungsradius basierend auf dem gemäß der Ausführungsform beschriebenen Konzept berechnet wird.
Von den Teilen des menschlichen Körpers wird der Finger als der kollidierte Abschnitts M gemäß der Ausführungsform angesehen. Es können jedoch auch andere Teile als solcher angesehen werden. Wenn z. B. der Roboter 1 in einer Position angeordnet wird, in der ein Kontakt mit den Beinen einer Person, aber nicht mit den Händen als möglich aufgefasst wird, kann die Form des Roboters 1 so konstruiert werden, dass das Bein als der kollidierte Abschnitt M2 angesehen wird.
Darüber hinaus wird der Finger mit einer Querschnittsform von entweder einem Viereck oder einem Kreis gemäß der Ausführungsform modelliert. Der Finger kann jedoch unter Verwendung einer anderen Form, wie z. B. einer Ellipse, modelliert werden. Gleiches gilt, wenn andere Teile des menschlichen Körpers modelliert werden.
Gemäß der Ausführungsform ist die Form der Struktur (Rahmen) des Roboters 1 an sich, wie z. B. der Eckbereiche der X-Basis 16 und der Z-Basis 23, so konfiguriert, dass ein Druck verringert wird. Eine bewegliche Einheit kann jedoch mit einem Abdeckelement versehen sein, das dessen äußere Form verändert. Das heißt, dass eine Struktur, die die äußere Form einer beweglichen Einheit in der vorliegenden Erfindung ausbildet, ein Element beinhaltet, das an der beweglichen Einheit angebracht ist, so dass sich die äußere Form derselben, neben den Rahmen, wie z. B. der X-Basis, verändert. In diesem Fall handelt es sich bei dem Abdeckelement lediglich um ein Element, das die äußere Form der beweglichen Einheit verändert. Im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Dämpfungsmaterial und dergleichen muss das Abdeckelement nicht aus einem Material bestehen, dass eine Aufprallkraft oder dergleichen reduziert. Das Dämpfungsmaterial und dergleichen absorbieren oder reduzieren die Aufprallkraft durch das Material und müssen daher im Wesentlichen eine Dicke aufweisen. Somit hat das Dämpfungsmaterial oder dergleichen eine Vergrößerung der Abmessungen in der äußeren Form der beweglichen Einheit, eine Verkleinerung des Arbeitsbereiches G und dergleichen zur Folge.
Diesbezüglich kann ein dünnes Abdeckelement verwendet werden, wenn die Absicht lediglich die Veränderung der äußeren Form der beweglichen Einheit ist. Eine übermäßige Vergrößerung der Abmessungen kann verhindert werden. Darüber hinaus kann in einer Konfiguration, in der ein Abdeckelement angebracht wird, dass Abdeckelement auf einen existierenden Roboter 1 angewendet und Sicherheit gewährleistet werden.
Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung auf einen senkrecht artikulierten Roboter mit einer Mehrzahl von Armen als bewegliche Einheiten, wie z. B. dem, der in 7 gezeigt ist (einen sogenannten Sechsachsen-Roboter, wie er in 7 gezeigt ist), einen horizontal artikulierten Roboter mit beweglichen Einheiten, die in der horizontalen Richtung drehbar sind, einen Direktantriebs-Roboter, in dem eine bewegliche Einheit sich in einer oder zwei axialen Richtungen bewegt, und dergleichen angewendet werden.
7 stellt ein Erscheinungsbild eines senkrecht artikulierten Robotersystems 101 als ein Steuerungsziel gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar. Wie in 7 gezeigt ist, beinhaltet das Robotersystem 101 einen Roboter 102, eine Steuereinheit 103, die den Roboter 102 steuert, und ein Lernbediengerät 104, das mit der Steuereinheit 103 verbunden ist. Das Lernbedienhandgerät 104 darf erst mit der Steuereinheit 103 verbunden werden, wenn ein Lehrervorgang ausgeführt wird, oder kann mit der Steuereinheit 103 integral konfiguriert sein.
Der Roboter 102 ist ein sogenannter vertikal artikulierter Sechsachsen-Roboter mit einer hinreichend bekannten Konfiguration. Insbesondere beinhaltet der Roboter 102 eine Basis 105, eine Schulter 106, einen Unterarm 107, einen ersten Oberarm 108, einen zweiten Oberarm 109, ein Handgelenk 110 und einen Flansch 111.
Die Schulter 106 ist auf der Basis 105 angeordnet und mit derselben über eine erste Z-Richtungs-Achse J1 verbunden, so dass sie in der horizontalen Richtung drehbar ist. Die Schulter 106 ist über eine zweite V-Richtungs-Achse J2 mit einem unteren Ende des Unterarms 107, der sich nach oben erstreckt, verbunden, so dass sie in der vertikalen Richtung drehbar ist. Der Unterarm 107 weist ein vorderes Ende auf, mit dem der erste Oberarm 108 über eine dritte Y-Richtungs-Achse J3 so verbunden ist, dass er in der vertikalen Richtung drehbar ist. Der erste Oberarm 108 weist ein vorderes Ende auf, mit dem der zweite Oberarm 109 über eine vierte X-Richtungs-Achse J4 so verbunden ist, dass er in einer verdrehten Weise drehbar ist. Der zweite Oberarm 109 weist ein vorderes Ende auf, mit dem das Handgelenk 110 über eine fünfte Y-Richtungs-Achse J5 so verbunden ist, dass er in der vertikalen Richtung drehbar ist. Mit dem Handgelenk 110 ist der Flansch 111 über eine sechste X-Richtungs-Achse J6 so verbunden, dass es in einer verdrehten Weise drehbar ist.
Der Flansch 111 als ein vorderes Teil des Arms des Roboters 102 ist mit einem Greiforgan (der z. B. einer Hand entspricht), das nicht gezeigt ist, versehen. Das Greiforgan ist mit einer Spannvorrichtung oder einem Werkzeug montiert, dass ein Werkstück, nicht gezeigt, hält und übergibt, oder ein Werkstück verarbeitet oder montiert. Die Achsen J1 bis J6 des Roboters 102 sind mit jeweiligen Elektromotoren (nicht gezeigt), entsprechenden Codiereinrichtungen (nicht gezeigt) zum Erfassen von Rotationspositionen der jeweiligen Motoren, jeweiligen Verlangsamungsmechanismen (nicht gezeigt) zum Verlangsamen der Leistungsabgabe der jeweiligen Motoren und dergleichen versehen.
Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung natürlich auf einen Roboter angewendet werden, der mit einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Objektes, wie z. B. einer Person, versehen ist und eine funktionelle Sicherheit durch Ausführen einer Steuerung zum Verhindern einer Kollision und eines Verfangens basierend auf den Erfassungsergebnissen realisiert. In einer solchen Konfiguration kann eine Kollision und ein Verfangen durch funktionelle Sicherheit von vornherein verhindert werden. Sollte die Erfassungseinrichtung defekt sein oder sich eine Steuerungsanomalität ereignen, dient die Form des Roboters 1 an sich als eine letzte Verteidigungslinie. Somit können Einwirkungen auf den menschlichen Körper, wie z. B. Verletzungen, verhindert und die Sicherheit des Roboters 1 kann weiter verbessert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013-193137 A [0002, 0003]
JP 2012-110971 A [0002, 0004]

Claims

Roboter, aufweisend: eine bewegliche Einheit; und eine Antriebseinheit, die die bewegliche Einheit antreibt, wobei die bewegliche Einheit einen prognostizierten Kollisionsabschnitt aufweist, der eine Struktur ist, die eine äußere Form der beweglichen Einheit ausbildet, und mit einem menschlichen Körper während einer Bewegung der beweglichen Einheit kollidieren kann, wobei der prognostizierte Kollisionsabschnitt so ausgebildet ist, dass er eine vorbestimmte Form aufweist, so dass ein Druck, der auf einen menschlichen Körper ausgeübt wird, geringer ist als ein vorbestimmter Sicherheitsstandardwert für Druck für den menschlichen Körper, wenn die bewegliche Einheit bei einer maximalen Schubkraft durch die Antriebseinheit angetrieben wird und mit dem menschlichen Körper kollidiert.
Roboter nach Anspruch 1, wobei angenommen wird, dass ein Kollisionsabschnitt des menschlichen Körpers, mit dem der prognostizierte Kollisionsabschnitt kollidieren kann, ein Finger ist; und eine Form des prognostizierten Kollisionsabschnitts zu einer gekrümmten Oberfläche ausgebildet ist, die einen Krümmungsradius aufweist, der auf einen Bereich eingestellt ist, der den nachstehenden Ausdruck (1) erfüllt,
wenn: R der Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche des prognostizierten Kollisionsabschnitts ist; F eine Druckkraft ist, wenn die Antriebseinheit die bewegliche Einheit bei einer maximalen Schubkraft antreibt und der prognostizierte Kollisionsabschnitt gegen den menschlichen Körper gedrückt wird; Wf eine Breite des Fingers ist, dessen Querschnittsform als ein Viereck mit der Breite modelliert wird; k ein Komprimierbarkeitskoeffizient des Fingers ist; und Ps ein maximaler Wert des vorbestimmten Sicherheitsstandardwerts für Druck ist.
Roboter nach Anspruch 1, wobei angenommen wird, dass ein Kollisionsabschnitt des menschlichen Körpers, mit dem der prognostizierte Kollisionsabschnitt kollidieren kann, ein Finger ist; und eine Form des prognostizierten Kollisionsabschnitts zu einer gekrümmten Oberfläche ausgebildet ist, die einen Krümmungsradius aufweist, der auf einen Bereich eingestellt ist, der den nachstehenden Ausdruck (2) erfüllt,
wenn: R der Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche des prognostizierte Kollisionsabschnitts ist; F eine Druckkraft ist, wenn die Antriebskraft die bewegliche Einheit bei einer maximalen Schubkraft antreibt, und der prognostizierten Kollisionsabschnitt gegen den menschlichen Körper drückt; Rf ein Durchmesser des Fingers ist, dessen Querschnittsform als ein Kreis mit dem Durchmesser modelliert ist; k ein Komprimierbarkeitskoeffizient des Fingers ist; und Ps ein maximaler Wert des vorbestimmten Sicherheitsstandardwerts für Druck ist.
Verfahren zum Konstruieren einer Form eines Roboters, der eine bewegliche Einheit und eine Antriebseinheit beinhaltet, die die bewegliche Einheit antreibt, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: Konstruieren einer Form eines prognostizierten Kollisionsabschnitts der beweglichen Einheit, der mit einem menschlichen Körper während einer Bewegung der beweglichen Einheit kollidieren kann, wobei die Form des prognostizierten Kollisionsabschnitts eine vorbestimmte Form aufweist, so dass ein Druck, der auf den menschlichen Körper ausgeübt wird, einen vorbestimmten Sicherheitsstandardwert für Druck für den menschlichen Körper unterschreitet, wobei der Druck ein Druck ist, der auf den menschlichen Körper ausgeübt wird, wenn die bewegliche Einheit bei einer maximalen Schubkraft durch die Antriebseinheit angetrieben wird und mit dem menschlichen Körper kollidiert.