JP2005193347A

JP2005193347A - 水平多関節型ロボット

Info

Publication number: JP2005193347A
Application number: JP2004003793A
Authority: JP
Inventors: Christoph Meyerhoff; メイヤーホフクリストフ; Kazue Akaha; 和重赤羽
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2005-07-21
Also published as: US20120090422A1; US8104372B2; US20050166699A1; US20140199149A1; US8387481B2; US20090007713A1; US20150258692A1; US9630327B2; US8714044B2; US20130205931A1; EP1552911A1; US20170190058A1; US9073220B2

Abstract

【課題】コンパクトな構成でロボットの動作可能領域（作業範囲）を拡大し、それによってロボットの移動経路を短くすることができ、また限られたスペースの中で、ロボットの動作位置の配置にあたっても何らの制約を受けることなく効率的に配置することができる水平多関節型ロボットを提供する。
【解決手段】ベース１１に第１関節軸１２を介して連結される第１アーム１３と、第１アーム１３に第２関節軸１４を介して連結される第２アーム１５と、第２アーム１５の先端部に上下動および回転可能に設けられる作業軸１６とを備え、第１アーム１３のアーム長Ｌ１と第２アーム１５のアーム長Ｌ２を等しくし、第２アーム１５が第１アーム１３に重なるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの動作可能な領域を大幅に拡大した水平多関節型ロボットに関する。

スカラ型ロボットとも呼ばれる水平多関節型ロボットは、通常、第１アームと第２アームがそれぞれ第１、第２関節軸を介して水平面内で回動し、第２アームの先端部に装着された作業軸を上下動及び回転させ、作業軸に取り付けられたハンドリング装置等により、組立や搬送など所望の作業を実行させる構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−８４６８８号公報

しかし、従来の水平多関節型ロボットは、構造上、第２アームが３６０度以上回転することができないため、動作エリアが略ドーナツ状となっていた。そのため、以下に示すような課題があった。
（１）片手系でしか動作できないエリアが存在するため、２点間の移動経路が長くなり、時間がかかる。
（２）ロボットの動作可能領域（作業範囲）が狭いため、限られたスペースの中では制約が多く、ロボットの動作する位置の配置を効率的（最短距離）なレイアウトにすることが非常に難しい。
（３）作業範囲を広くすると、ロボットの大きさも作業エリアに比例して大きくする必要があり、スペースの問題が生じてくる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもので、コンパクトな構成でロボットの動作可能領域（作業範囲）を拡大し、それによってロボットの移動経路を短くすることができ、また限られたスペースの中で、ロボットの動作位置の配置にあたっても何らの制約を受けることなく効率的に配置することができる水平多関節型ロボットを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る水平多関節型ロボットは、ベースに第１関節軸を介して連結される第１アームと、第１アームに第２関節軸を介して連結される第２アームと、第２アームの先端部に上下動および回転可能に設けられる作業軸とを備え、第１アームのアーム長と第２アームのアーム長を等しくし、第２アームが第１アームに重なるように構成したことを特徴とする。

本発明の水平多関節型ロボットでは、第１アームのアーム長（第１関節軸と第２関節軸の中心間の距離）および第２アームのアーム長（第２関節軸と作業時の中心間の距離）の和を半径とする円形の全範囲がロボットの動作エリアとなり、そのエリア内に第２アームのアーム長を半径とする小円形の片手系動作エリアを含むものとなる。
したがって、極めてコンパクトな構成でロボットの動作可能領域（作業範囲）を拡大することができる。また、ロボットの移動経路を従来のように迂回させることなく最短距離で２点間を結ぶことができる。よって、作業時間（タクトタイム）の短縮が可能となる。
さらには、限られたスペースの中で、ロボットの動作位置を自由に設定できるため、レイアウトが非常に容易である。

また、本発明の水平多関節型ロボットは、ベースに第１関節軸を介して連結される第１アームと、第１アームに第２関節軸を介して連結される第２アームと、第２アームに第３関節軸を介して連結される第３アームと、第３アームの先端部に上下動および回転可能に設けられる作業用の作業軸とを備え、第１アームのアーム長と第２アームおよび第３アームのアーム長の和とを等しくし、第２アームおよび第３アームが第１アームに重なるように構成したことを特徴とする。

すなわち、この請求項２の発明は、請求項１の発明と異なり、３つのアームを用いた構成である。この場合、第１アームのアーム長と第２アームおよび第３アームのアーム長の和とを等しくし、第２アームおよび第３アームが第１アームに重なるように構成することにより、３つ全部のアーム長の和を半径とする円形の全範囲がロボットの動作エリアとなり、その中に第２アームと第３アームのアーム長の和を半径とする中円形の動作エリア、ならびに第３アームのアーム長を半径とする小円形の動作エリアを含むものとなる。
したがって、特に２点間の距離が短い配置の場合には、ロボット動作をスムーズに、かつ迅速に行わせることができる。

また、本発明の水平多関節型ロボットにおいては、第２関節軸を有する第２連結部を長くする。
作業軸は上下動するので、そのストローク上限での上端が第１アームと干渉することなく第２アームあるいは第３アームを第１アームに重ねることが可能となる。

また、本発明の水平多関節型ロボットにおいては、ベースは、壁または天井に取り付けられるものである。
ベースを壁付け、または天井吊りの取付方式とすることで、上記円形の動作エリアを簡単に形成することができる。

また、本発明の水平多関節型ロボットにおいては、全ての関節軸は配線が通る中空軸であり、全てのアームは中空部を有するものである。
このような構成とすることにより、モータ等への配線を各関節軸および各アーム内を通して引き回すことができ、外部に配線が露出することはない。したがって、配線に伴うトラブル（近辺の障害物との衝突など）の解消やコスト低減が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による水平多関節型ロボットの側面図で、図２はこの水平多関節型ロボットの一つの動作形態を示す側面図である。

この水平多関節型ロボット１０は、ベース１１と、ベース１１に第１関節軸１２を介して連結された第１アーム１３と、第２関節軸１４を介して第１アーム１３に連結された第２アーム１５と、第２アーム１５の先端部に上下動および回転可能に設けられた作業軸１６とを備えている。作業軸１６には組立や搬送、検査などの作業を行うためのハンドリング装置その他のツール等（図示せず）が作業目的に応じて取り付けられる。そしてさらに、第１アーム１３のアーム長（第１関節軸１２の中心と第２の関節軸１４の中心との間の距離をいう）Ｌ１と第２アーム１５のアーム長（第２関節軸１４の中心と作業軸１６の中心との間の距離をいう）Ｌ２とを等しくし（Ｌ１＝Ｌ２）、かつ、第２アーム１５が第１アーム１３の下方に重ねられるように構成されている。また、各アーム１３、１５の駆動構造については後述する。なお図１において、１７はフレキシブルな配線チューブであり、ベース１１側の一端は回転自在な自在継手１８を介して接続されており、他端は第２アーム１５の底板１９上に固定されている。

さらに詳しく述べると、ベース１１は、例えば、建物等の壁１００または天井に取り付けられるようになっており、第１アーム１３は第１関節軸１２の回りに少なくとも３６０度（±１８０度）回転可能なようにベース１１の下面に取り付けられている。
また、第２関節軸１４が内蔵された第２連結部２０の長さを、作業軸１６のストローク上限位置における上端（ストローク上端という）１６ａが第２アーム１５の上面より突出する突出高さよりも長くし、第２アーム１５の回動時、第１アーム１３と干渉しないようにしている。あるいは、作業軸１６が第１アーム１３に当たらないように作業軸１６を少し下げてから第２アーム１５を回動するように制御する。

したがって、図２に示すように、第２アーム１５を＋１８０度または−１８０度回転させることにより、第２アーム１５を第１アーム１３の直下に重なるように位置させることができ、このとき、第１関節軸１２の中心２１と作業軸１６の中心２２は一致する。

図３は、従来例と本実施例のロボット動作エリアを比較した図である。同図の（ａ）は従来例の場合であり、（ｂ）は本実施例の場合である。
従来例は、構造上、第１関節軸１２および第２関節軸１４の動作角度が３６０度確保できない構造となっているため、中心部にロボットが動作できない領域（動作不能エリア）２４が生じ、両腕系で動作できる動作領域（両腕系動作エリア）２６が略ドーナツ状になる。しかも、片手系でしか、動作できないエリア（片手系のみの動作エリア）２５が存在する。

一方、本実施例は、第１関節軸１２および第２関節軸１４の動作角度が３６０度確保できているため、デッドゾーンが無く、アーム長の和（Ｌ１＋Ｌ２）を半径とする円形の全範囲が両腕系で動作できるエリア（両腕系動作エリア）２６となる。しかも、片手系で動作できるエリア（片手系動作エリア）２７は従来例のように左または右のみの区別が無くなり、３６０度任意の位置に設定することが可能となる。

上記のように動作エリアが相違する結果、ロボットの移動経路が大きく相違する。
図４は、従来例と本実施例のロボット移動経路２８の比較図である。同図の（ａ）は従来例の場合であり、（ｂ）は本実施例の場合である。
例えば、ロボットの作業位置である動作ポイントＰ１〜Ｐ６がある場合において、出発点Ｐ１から順番に各動作ポイントＰ２、Ｐ３、・・・を経由し、終了点Ｐ６から再び出発点Ｐ１に戻る動作をさせる必要があるとき、従来例では、中心部にロボットが動作できない動作不能エリア２４が存在し、しかも片手系でしか動作できないエリア２５が存在するため、例えば、Ｐ１からＰ２へ移動するには遠く迂回する径路２８ａを通らなければならない。そのため、作業時間（タクトタイム）が非常に長くかかる。

一方、本実施例では、動作エリア２６が半径（Ｌ１＋Ｌ２）の円形の全範囲を含むものであるため、例えば、Ｐ１からＰ２へ移動するには最短の距離を移動することができる。また、他の２点間の移動経路２８ｂについても、同様に最短の距離を移動することができる。

したがって、この実施形態によれば、極めてコンパクトな構成でロボットの移動経路を最短距離にすることができるため、作業時間（タクトタイム）を大幅に短縮することが可能となる。また、ロボットの動作エリア（作業範囲）を広くとることができるため、限られたスペースの中でも何らの制約を受けることなく動作ポイントを自由に配置することが可能となる。

実施の形態２．
上記の実施形態は、２つのアームを用い、第１アーム１３の長さＬ１と第２アーム１５の長さＬ２が等しい場合であるが、この実施形態では３つのアームを用いる場合について図５、図６により説明する。また、水平多関節型ロボットの場合、実用上は３つのアームまでで十分である。
図５は、この実施形態による水平多関節型ロボットの概略側面図、図６はこの実施形態のロボット動作エリアを示す図である。

第１アーム１３の長さＬ１と第２アーム１５の長さＬ２が異なる場合には、前述した図３のロボット動作エリアの説明から明らかなように、第１関節軸１２の中心回りにＬ１とＬ２の差を半径とする動作不能エリアが生じる。すなわち、第２アーム１５の長さが第１アーム１３より短い、または、長い場合には、ロボット動作エリアは同心円の中空円形の範囲となる。

そこで、この中空円形の範囲をカバーするために、図５に示すように、３つのアームを用い、第１アーム１３の長さＬ１と、第２アーム１５の長さＬ２および第３アーム３０の長さＬ３の和（Ｌ２＋Ｌ３）とを等しくし（Ｌ１＝Ｌ２＋Ｌ３）、第２アーム１５および第３アーム３０が第１アーム１３の下方に重ねられるようにするものである。
第３アーム３０は第３関節軸３１を介して第２アーム１５に連結され、上下動および回転可能な作業軸１６は第３アーム３０の先端部に設けられる。また、第１アーム１３と第３アーム３０の間に第２アーム１５が介在するため、第２関節軸１４を有する第２連結部２０の長さを前記のように長くすることは必ずしも必要ではない。もちろん、ロボットの剛性が保たれる範囲で、第２関節軸１４の第２連結部２０あるいは第３関節軸３１の第３連結部３２の長さを長くしてもよい。

この実施形態では、図６に示すように、第２アーム１５および第３アーム３０を第２関節軸１４の回りに１８０度回転させれば、作業軸１６の中心２２を第１関節軸１２の中心２１に一致させることができるので、ロボットの動作エリア２６は全てのアーム長の和（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）を半径とする円形の全範囲内となる。しかも、３６０度任意の位置において、第２アーム１５と第３アーム３０の長さの和（Ｌ２＋Ｌ３）を半径とする中円形のエリア３３、および第３アーム３０の長さＬ３を半径とする小円形のエリア３４を含むものとなる。

したがって、この実施形態によれば、上記実施形態の効果に加えて、特に２点間の配置距離が短い場合には、長さの短い第２アーム１５、あるいは第３アーム３０を用いて、ロボットに大きな動きをさせることなくスムーズに、かつ迅速に動作させることが可能となる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３による水平多関節型ロボットの一部断面側面図である。ここでは、２つのアームを用いた場合の各関節軸１２、１４の駆動機構の一例をあらわしている。３つのアームを用いた場合でも同様である。
この実施形態では、第１関節軸１２、第２関節軸１４はいずれも配線３６が通る中空軸で構成されている。また、第１アーム１３、第２アーム１５もそれぞれ配線３６を通すための中空部３７、３８を有する構成となっている。
この中空軸からなる第１関節軸１２、第２関節軸１４は、それぞれハーモニックドライブ機構からなる第１減速機４１、第２減速機４２を介して第１モータ４３、第２モータ４４により回転駆動する。なお、４５は第１モータ４３と減速機４１との間に設けられた第１タイミングベルト機構、４６は第２モータ４４と減速機４２との間に設けられた第２タイミングベルト機構である。

ハーモニックドライブ減速機は、ロボット分野では一般的に用いられる減速機であり、中心のウェーブジェネレータ４７、中間のフレクスプライン４８、および外側のサーキュラスプライン４９の３要素からなり、高減速比、高位置決め精度など優れた特性を有する減速機である。上記中空軸の第１関節軸１２、および第２関節軸１４はウェーブジェネレータ４７に結合されており、減速された回転をそれぞれ第１アーム１３、第２アーム１５へ伝達する。なお、このような減速機を用いずに直接、回転軸を中空軸とするダイレクトモータあるいは中空モータで各関節軸１２、１４の駆動機構を構成してもよい。

この実施形態によれば、全ての関節軸１２、１４を中空軸とし、および全てのアーム１３、１５が中空部３７、３８をもつ構成となっているため、各モータ４３、４４に接続される配線３６やセンサ、カメラなどへの配線（図示せず）を外部に露出させることなくアーム内に隠した状態で引き回すことができる。そのため、図１のような配線チューブ１７や自在継手１８などが要らないため、コスト低減につながるほか、アームの動作を周囲近辺の障害物との衝突、引っ掛けなどを懸念することなくスムーズに行わせることが可能となる。また、外観上もすっきりとした印象を与える。

本発明の実施の形態１による水平多関節型ロボットの側面図。この水平多関節型ロボットの一つの動作形態を示す側面図。従来例と本実施例のロボット動作エリアの比較図。従来例と本実施例のロボット移動経路の比較図。本発明の実施の形態２による水平多関節型ロボットの概略側面図。この実施形態のロボット動作エリアを示す図。本発明の実施の形態３による水平多関節型ロボットの一部断面側面図。

符号の説明

１０水平多関節型ロボット、１１ベース、１２第１関節軸、１３第１アーム、１４第２関節軸、１５第２アーム、１６作業軸、１６ａ作業軸のストローク上端、１７配線チューブ、１８自在継手、１９底板、２０第２連結部、２１第１関節軸の中心、２２作業軸の中心、２４動作不能エリア、２５片手系のみの動作エリア、２６両腕系動作エリア、２７片手系動作エリア、２８ロボット移動経路、３０第３アーム、３１第３関節軸、３２第３連結部、３３中円形のエリア、３４小円形のエリア、３６配線、３７第１アームの中空部、３８第２アームの中空部、４１第１減速機、４２第２減速機、４３第１モータ、４４第２モータ、４５第１タイミングベルト機構、４６第２タイミングベルト機構、４７ウェーブジェネレータ、４８フレクスプライン、４９サーキュラスプライン、１００壁

Claims

ベースに第１関節軸を介して連結される第１アームと、第１アームに第２関節軸を介して連結される第２アームと、第２アームの先端部に上下動および回転可能に設けられる作業軸とを備え、第１アームのアーム長と第２アームのアーム長を等しくし、第２アームが第１アームに重なるように構成したことを特徴とする水平多関節型ロボット。
ベースに第１関節軸を介して連結される第１アームと、第１アームに第２関節軸を介して連結される第２アームと、第２アームに第３関節軸を介して連結される第３アームと、第３アームの先端部に上下動および回転可能に設けられる作業用の作業軸とを備え、第１アームのアーム長と第２アームおよび第３アームのアーム長の和とを等しくし、第２アームおよび第３アームが第１アームに重なるように構成したことを特徴とする水平多関節型ロボット。
第２関節軸を有する第２連結部を長くしたことを特徴とする請求項１または２記載の水平多関節型ロボット。
ベースは、壁または天井に取り付けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水平多関節型ロボット。
全ての関節軸は配線が通る中空軸であり、全てのアームは中空部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水平多関節型ロボット。