JP2006528082A - ２つのロボットアームを有するガントリロボットを用いた重厚長大ワークのハンドリング - Google Patents

Abstract

作業領域でワークをハンドリングして搬送するためのロボットシステムは、床の上方に支持されるレール（２０）と、レールに沿って相互に相対変位及び協調変位可能にレールに支持される少なくとも２つのロボットアーム（５０）であって、各アームがワーク（７６）を係合支持するために複数の軸を中心に関節動作するロボットアームと、それらロボットアームの各々と通信して各ロボットアームの変位及び関節動作を制御するコントローラ（９６）であって、ワークを、各グリッパ（７８、８０）によって係合し、ロボットアームにより床の上方に持ち上げ、レールに沿って運搬し、ワーク到達点でグリッパから解放するようにするコントローラとを備える。

Description

本発明は、広くは、協調ガントリによるワークの材料ハンドリングに関する。より詳しくは、本発明は、レールに沿って移動可能な複数のロボットを有するシステムに関する。

関連出願の相互参照
本出願は、２００３年７月１８日に出願した米国特許仮出願第６０／４８８，６６８号の利益を主張するものであって、当仮出願の開示の全体を、参照によって本明細書に引用する。

特注の搬送自動化設備、高荷重領域ガントリ及び重積載受台ロボットは、工場の床で必要とされるような、短い距離にわたって重厚長大なワーク（workpiece）を搬送するための、周知の従来技術を採用している。

単体の重積載受台ロボットは、一般に、大寸のワークに係合するための非常に大きなツール装置を必要とし、それにより、ワークに対する可積載能力が著しく損なわれ、グリッパ設計が著しく技術集約的になる。ワークの寸法及び重量は、ロボット手首軸の慣性容量によって制限される。このようなロボットは、床に固定した場合には到達範囲が限定され、大寸のワークをハンドリングするときには大きな移送距離を達成できない。単体の重積載受台ロボットは、大きな移送距離を達成する目的で、床、レール又は軌道に装着された場合に、床高さにおける相当に大きな物理的障害物となる。このロボットは、様々なワーク寸法に容易には対応できず、ツール構造及び構成要素群を再配置するための、追加のツール装置又は切替調整を必要とする場合がある。

特注の搬送自動化設備は、個々の用途に応じて注文設計されるものであり、多大な技術努力及び長い納品時間を要する。この設備は、適応性を有さないか、或いは所要の適応性を確保するために高度の複雑さを必要とする。この設備は、場所集約的かつ設備集約的であり、特に設備が、過重なワークを収容するに十分な大きさを有する場合に、長い注文時間が必要となる。

従来のガントリは、ワークの移送と関連してワークの姿勢変化及び制御を容易に行なえるものではない。従来のガントリは、一般に、大寸のワークに係合するための大寸のツール装置を必要とし、特にワークの姿勢変化が必要とされてツール装置に統合される場合に、ツール設計が技術集約的になる。従来のガントリは、固定マストを使用する場合には、天井に大きな余裕を必要とし、或いは伸縮式マストを使用する場合には、高い投資コストが必要となる一方で積載量が低減する。従来のガントリの設置場所は、広大型のガントリ構造に起因して、有効運動範囲よりもはるかに大きいものとなる。従来のガントリは、特にガントリ寸法が過重なワークを許容するものである場合、空間及び設備に関する多大な原資を必要とする。

本発明は、姿勢制御による大きな荷重容量を有して重厚長大なワークを取り扱う協調型の６軸ガントリロボットを提供する。高架式のレール軸は、広範囲のワーク寸法に対し、大きな運動範囲をもたらすので、床高さの材料フローに干渉することなく、工場の床領域を節約できる。

本発明は、独立及び相互協調してレール沿いに移動可能な複数のロボットにより、ワークを移動するシステムを提供する。それらロボットは、コントローラがアクセス可能なメモリに記憶されたコンピュータプログラムの形態の制御アルゴリズムに従って、制御される。コントローラの制御下で、ロボットアームは、動作が協調される複数のロボットを使用して、レールによって画定された通路に沿って様々なワークを把持し、持ち上げ、運搬し、下降させ、解放する。

作業領域でワークをハンドリングして搬送するためのロボットシステムは、床の上方に支持されるレールと、レールに沿って独立変位及び協調変位可能にレールに支持される少なくとも２つのロボットアームであって、各アームが多数の軸を中心に関節動作してワークを係合支持するロボットアームとを備える。コントローラは、各ロボットアームと通信して、ロボットアームの変位及び関節動作を制御する。第１の位置で各グリッパは、レールに隣接するワークに係合し、ロボットアームにより床の上方にワークを持ち上げ、レールに沿ってワークを運搬し、ワークの運搬先でワークをグリッパから解放する。

単体の重積載受台ロボットと比較して、協調型の関節型ガントリロボットのツール構成は大幅に単純化され、各ロボットのツール装置はさらに小さく軽くすることができ、それにより、ワークに対応可能な積載能力が最大化される。ワークの寸法は、ロボット手首軸の慣性容量によって制限されず、ロボットのレール軸によって付与される可動性により、大寸のワークのための大きな移送距離が可能になり、高架型のレール装置により、床高さでの材料の物流及び処理フローが改善される。協調型のロボットを組み合わせることで、高度の自動切替フレキシビリティが確保される。それらロボットは、広い調整範囲を確保するためのレール軸を使用して、様々な部品寸法及び形状に適応させることができ、またそれらロボットは、独立した６自由度のロボットに取り付けた個別のツール装置を使用して、異なるワークに最適な位置及び姿勢で係合することができる。

特注の搬送自動化設備と比較して、標準のロボット技術製品は、最小の注文技術及び標準の納品時間で、協調型の関節型ガントリロボットに適用できる。適応性の高い解決策により、標準的な６自由度のロボットが組み合わせられ、単純なツール装置が許容される。高架型の設備により、工場の床領域が確保される。設備の複数の軽負荷部品を組み合わせることによって高い能力が確保されるので、設備配置及び注文を管理できる。

従来のガントリと比較して、協調型の関節型ガントリロボットの標準的構成により、ワークの姿勢及び部品移送の制御が容易に達成される。ツール設計及びハードウェアは、単純化され、かつ軽負荷型であり、またそれらは、ワークの姿勢変更及び制御用の装置を組み込まないものである。天井の大きな余裕は不要であり、またシステムの設置場所はロボットの動作範囲内に完全に収められ、それにより工場の床領域が節約される。

本発明の利点は、添付図面を参照した以下の好適な実施形態の詳細な説明から、当業者にとって容易に明らかになるであろう。

図１〜図４は、工場の床２２の作業領域の上方に架設されたレール２０を示す。レール２０は、好ましくは円筒中空管の形態を有する支柱２４、２６によって、両端近傍で支持される。各支柱の基部には、複数対のフランジ２８、３０が、支柱から半径方向に延出するように配置されて、支柱及び基板３２に溶接される。複数のボルト３４が、基板３２の周縁に沿って配置されて、基板３２を床２２に、又は床面若しくはその近傍に配置された足場に固定する。支柱２４、２６の間隔が所定長さを越える場合には、両端の支柱２４、２６の間に配置される少なくとも１つの追加の支柱３６を使用して、レール２０に対し中間支持を設けることができる。

図３及び図４は、複数対のＵ字ボルト４０、４２により支柱２４、２６に固定されて、支柱２４、２６から僅かな距離だけ離間配置されるレール２０を示す。Ｕ字ボルト４０、４２は、支柱の円筒状輪郭に係合して、それらボルト４０、４２に螺着される締結具４４により固定される。レール２０は、片側の第１側面４６と、それに平行でロボットアーム５０が装着される反対側の第２側面４８とを有する。図４では、レール２０は、水平面を成す側面４６が上向きに、かつ側面４８が下向きになるように方向付けされる。レール２０は、側面４６に装着されたブラケット５２におけるＵ字ボルト４０、４２と、鉛直面に延びて支柱に面するレールの短辺側の第３側面５４におけるＵ字ボルト４０、４２とによって、支柱２４、２６に固定される。ロボットアーム５０は、図１及び図２に対応する「下面吊設」構造により、レール２０に沿って変位可能に側面４８に取り付けられる。

図３では、レール２０は図４から９０°回転して、鉛直面を成す側面４６が支柱２６、２８に面し、かつ側面４８が支柱とは反対側に面するように方向付けされる。ロボットアーム５０は、「側面吊設」構造により、レール２０に沿って変位可能に側面４８に取り付けられる。

電気サーボ駆動式のロボットアームである複数のロボットアーム５０が、材料ハンドリング及び機械管理の目的で、レール２０に沿って移動する。「側面吊設」位置（図３）では、ロボットアームの鉛直方向取出動程が最大になり、「下面吊設」位置（図４）では、対称の作業領域が最大になる。複数のロボット５０がレール２０上を移動可能な距離は、様々である。好ましくは、ブラシレスＡＣサーボモータ（図示せず）を使用して、ラックピニオン型レール駆動部（図示せず）により、レール２０に沿って複数のロボットアーム５０を移動させる。

好ましくは、図１及び図２に示すように、１つ以上のロボットアーム５０がレール２０に支持される。或いは、複数のレールを相互に近接配置して、各レールが１つ又は複数のロボットアーム５０を支持するように構成できる。いずれの場合も、複数のロボットアーム５０は、制御下で協働して、大寸のワークを把持するとともに、当該ワークを床２２上の取り上げ位置と降ろし位置との間で搬送する。複数のロボットアーム５０がレール２０の両側に可動範囲を有して作業領域が増大するようにしてもよいし、或いは、各ロボットアームが他のロボットアームと協働することなく単一のロボットアームの可動範囲内で個々のワークをハンドリングするようにしてもよい。

図５に示すように、ロボットアーム５０は、複数の軸６０、６２、６４、６６、６８を中心に関節形成するとともに、レール２０の軸７０に沿って直線的に変位可能であることによって、６自由度を有することが好ましい。アーム５０の自由端には手首７２が配置され、手首７２には、手首と共に移動するグリッパを取り付けることができる。グリッパは、ワークに係合し、持ち上げ、運搬し、解放するための、磁気技術、油圧技術、負圧技術及び機械技術を非限定的に含む、ロボットアームで一般に使用されている技術のうち、任意のものを使用できる。

図６は、グリッパ７８、８０によって係合されたワーク７６を示しており、各グリッパは、協働してワークを搬送する両ロボットアーム５０のいずれかの手首７２に支持される。好ましくは、両方のロボットアーム５０が単一のレール２０に支持される。ワーク７６がＩ形梁や押出成形要素のように均一な重量分布を有し、グリッパ７８、８０がワーク７６の両端に係合する場合には、各ロボットアーム５０は、手首７２に感知し得るモーメントを生じることなく、ワークの重量の約半分を支持する。

両ロボットアーム５０が同一のレールに支持されるとともに、ワーク７６が比較的長い場合には、それらアーム５０は、レールから同じ横方向へ延びることができ、ワークを、レール軸７０に対し平行、垂直又は斜めに配置した状態で、レールに沿って運搬できる。しかし、ワーク８２が比較的短い場合には、ダブルアーム式ロボットは、図７に示すように、好ましくはレール２０から互いに反対の横方向に延びるアーム５０’を有し、ワークを、レールに対し垂直に配置して、取り上げ位置から降ろし位置へとレールに沿って運搬する。例えば図２に示すように、両グリッパは、床２２上のあらゆる所望の取り上げ位置９０でワーク７６、８２をピックアップし、レール２０に沿ってワークを、グリッパから解放される他のあらゆる所望の降ろし位置９２に運搬する。

ロボットアーム５０、５０’は、それぞれの軸を中心にアームを関節動作させるための、各軸に配置された作動モータ８４、８６、８７を有する。もう１つのモータ８５は、レール２０の軸７０に沿ってアームを変位させるものである。ロボットアーム５０、５０’を変位かつ関節動作させるそれらモータは、電源及びマイクロプロセッサ付きのコントローラ９６（図５）に接続される導管９４によって接続される。コントローラ９６は、両ロボットアームの動作を協調させるアルゴリズムであって、協働してワークを持ち上げ、保持し、運搬し、解放するように両アームを制御するアルゴリズムを含む電子メモリに、アクセス可能である。制御アルゴリズムは、レールの長さによって決まるシステムの移動領域内に収容可能なあらゆる長さのワークをハンドリングするように、システムがそれ自体を再構成することを可能にする。ロボットアーム５０、５０’は、ワーク７６、８２の持ち上げ及び運搬に加えて、レール２０に対するワークの配置を変更するように、協働して関節動作することができる。これにより、ワーク７６、８２を、取り上げ位置９０から到着又は降ろし位置９２に移動して、取り上げ位置のワークの姿勢配置とは異なる姿勢配置でそこに置くことができる。

例えば図６は、ワーク７６の両端を把持するロボットアーム５０を示すものであるが、双方のロボット手首７２は、図２に示す位置から関節動作して、ワークをグリッパ７８、８０により固定的に保持したままになっている。このように、両ロボット手首７２は、レール２０の長手軸７０に沿うようにグリッパ７８、８０を方向付けしており、このことが、レールの長手軸に平行に長手方向軸線を配置してワーク７６を運搬することに有効である。図７では、両ロボット手首７２は、長手軸７０を横断する方向にワーク８２を運搬するために、レール２０の軸を横断するようにグリッパ７８、８０を方向付けしている。

グリッパ７２は、従来のグリッパの重量及び寸法に関する制限とは無関係に、様々な形状、寸法及び重量の複雑な部品をハンドリングする。複数の把持位置により、個々のグリッパを特定の把持位置のために最適化することができる。これにより、本発明に係るシステムのロボットの重量持ち上げ効率が改善される。

グリッパがワークに係合するグリップ位置の寸法、重量、複雑性又は個数に関しては、事実上限界がない。ロボットアーム５０、５０’は、協働して共通のワークをハンドリング及び搬送し、個々のロボットアームの能力を超える重量及び長さ特性を有する重厚長大なワークを許容する。

特許法令の規定に従い、本発明は、その好ましい実施形態を表すと見做されるもので説明されている。しかし、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、具体的に例示しかつ説明した以外の構成で、本発明を実施できることに注意すべきである。

複数の支柱によって工場の床の上方に支持されるレールであって、本発明に従い、「下面吊設」構造でレールの水平面から関節型ロボットアームを支持するレールの、平面図である。 図１の構成の正面図である。 複数の支柱によって工場の床の上方に支持されるレールであって、本発明の代替的実施形態に従い、「側面吊設」構造で鉛直面から関節型ロボットアームを支持するレールの側面図である。 図１及び図２の構成の側面図である。 図１〜図３に示すロボットアームの等角図である。 図１及び図２に示す２つのロボットアームをワークに係合した状態で示す平面図である。 長寸のワークに係合した代替的実施形態によるダブルアームロボットの側面図である。

Claims (11)

1. 床を有する作業領域で、様々な寸法、重量及び体積のワークをハンドリング及び搬送するためのガントリロボットシステムであって、
   前記床の上方に支持されるレールと、
   前記レールに沿った互いの相対変位及び協調変位のために該レールに支持される少なくとも２つのロボットアームであって、各アームが、グリッパを支持するとともに、該グリッパによるワークへの係合及び支持のために複数の軸を中心に関節動作できるロボットアームと、
   前記ロボットアームの各々と通信して各ロボットアームの変位及び関節動作を制御するコントローラであって、前記ワークを、該ロボットアームにより前記床の上方に持ち上げ、前記レールに沿って運搬し、前記グリッパから解放するようにするコントローラと、
   を具備するシステム。
2. 前記レールに沿って互いに離間配置され、前記床から上向きに延び、基部で固定される第１及び第２の支柱をさらに具備する、請求項１に記載のシステムであって、
   前記レールは、前記支柱に隣接して配置され、該レールが、それら支柱に固定される第１表面と、前記ロボットアームを該レールに沿った変位のために支持する鉛直配置された第２表面とを有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記レールに沿って互いに離間配置され、前記床から上向きに延び、基部で固定される第１及び第２の支柱をさらに具備する、請求項１に記載のシステムであって、
   前記レールは、前記支柱に隣接して配置され、該レールが、それら支柱に固定される第１表面と、前記ロボットアームを該レールに沿った変位のために支持する第２表面とを有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ロボットアームは、該アームに沿って配設されて該アームの関節動作の中心となる複数の軸と、該アームの端部に配置されて該アーム上にグリッパを支持する手首とを備える、請求項１に記載のシステム。
5. 各グリッパは、前記ロボットアームのそれぞれに該ロボットアームと共に移動するために取り付けられ、各グリッパは、前記ワークに係合する表面を有して、該グリッパが該ワークに係合している間に該グリッパに対する該ワークの移動を防止する、請求項１に記載のシステム。
6. 各グリッパが、電磁作動、油圧作動、負圧作動及び機械作動のいずれか１つにより、ワークに係合してワークを支持する、請求項１に記載のシステム。
7. ワークを移動するための方法であって、
   床の上方に配置されるレールを用意するステップと、
   各々がグリッパを有する少なくとも２つのロボットアームを、前記レールに沿った互いの相対変位及び協調変位のために該レールに支持するステップと、
   前記グリッパを使用して、相互に離間した位置で前記ワークに係合させるステップと、
   前記アームを使用して、前記グリッパが係合している状態で前記ワークを前記床の上方に持ち上げるステップと、
   前記グリッパが前記ワークを保持している状態で前記ロボットアームを前記レールに沿って変位させるとともに、該ロボットアームを関節動作させて該レールに対する該ワークの配置を変更するステップと、
   前記グリッパによる係合から前記ワークを解放するステップと、
   を含む方法。
8. コントローラを使用して、前記グリッパが前記アーム上で前記ワークに係合して該ワークを支持するように該アームを関節動作させるステップと、
   コントローラを使用して、前記グリッパが前記ワークを保持している状態で前記ロボットアームを前記レールに沿って変位させるステップと、
   をさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 作業領域内でワークを移動するための方法であって、
   前記作業領域の上方に配置されて、前記ワークを受容する第１位置と前記ワークを送達する位置との間に延びる所望長さのレールを、前記作業領域を跨るように設けるステップと、
   各々がグリッパを担持する少なくとも２つの間接型ロボットアームを、前記レールに装着するステップと、
   前記第１位置で前記ワークに前記グリッパを係合させるステップと、
   前記ワークを前記レールに沿って前記第２位置に運搬するステップと、
   前記第２位置で前記ワークから前記グリッパを放すステップと、
   を含む方法。
10. コントローラを使用して、前記グリッパが前記第１位置で前記ワークに係合して前記アームに該ワークを支持するように前記ロボットアームを関節動作させるステップと、
    コントローラを使用して、前記グリッパが前記ワークを保持している状態で前記ロボットアームを前記レールに沿って前記第１位置から前記第２位置に変位させるステップと、
    をさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記運搬ステップは、前記グリッパが前記ワークを保持している状態で、前記レールに沿った前記ロボットアームの変位と関節動作とを協調させることをさらに含む、請求項９に記載の方法。

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