JP2007118176A - 移動型マニピュレータ - Google Patents

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和宏 埴谷
Manabu Okahisa
学 岡久
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Abstract

【課題】
腕部の負荷を軽減し、2次電池での可動時間の延長と、制御周期が早く把持可能なワーク種類を拡大できる移動式マニピュレータを提供する。
【解決手段】
少なくとも2本の腕5a、5bと、前記腕の第一軸同士の軸心が略平行に配置されている胴体部9と、前記胴体部9を旋回自在に軸支した基台8と、基台8を移動させるための2つ以上の回転関節1と、各関節を駆動するサーボアンプと、指令制御部を備えて、外部指令により物体を把持、移動、開放する搬送装置において各回転関節1は、2次電池4により駆動されているが、モータパワーの消費を低減させる腕部軸構成とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、少なくとも2本の腕と、胴体部と、移動基台とを有する移動型マニピュレータに関する。
図4は従来の移動型マニピュレータを示す図である。従来の移動型マニピュレータは、腕の第1軸が紙面に対して略水平に配置されている。すなわち、関節eは胴体に紙面に対して、水平に取り付けられている。
特開平11−188668号公報(第4−6頁、図7)
従来の移動式マニピュレータは、腕の第1軸が紙面に対して略水平に配置されているため、前方に伸びた状態で作業するケースが多い産業用ロボットにとって、位置決め軸に重力負荷が常に作用しており、相応なモータパワーを消費し、2次電池が大型化するという問題があった。また、搬送作業では所定の移動のみを行えば良く、必ずしも腕部との同期は必要で無いが、腕部関節と移動関節部は同一制御器で構成され、ワーク位置を検出し把持姿勢を決定させる力倣い制御のような、高速な演算周期を必要とされる場合において制御周期が伸びるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、腕部の負荷を軽減し、2次電池での可動時間の延長と、制御周期が早く把持可能なワーク種類を拡大できる移動式マニピュレータを提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項1に記載の発明は、台車と、前記台車を移動させるための移動関節と、前記台車に設けられた基台と、前記基台に設けられて旋回軸周りに回転する旋回関節と、前記旋回関節によって旋回する少なくとも2本の腕と、前記台車に設けられて前記移動関節、旋回関節、腕を駆動するための2次電池と、を備え、前記移動関節により移動する移動型マニピュレータにおいて、前記腕の位置決めのための基本軸は、重力が作用しない方向に設けられていることを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、前記台車に設けられた前記腕と旋回関節を制御するための第1のコントローラと、前記台車に設けられた前記移動関節を制御するための第2のコントローラと、を備え、前記第2のコントローラは、前記第1のコントローラからの信号に基づいて動作することを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、前記基台は、前記台車の重心の前方に配置され、前記2次電池は、前記台車の重心の後方に配置されることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、カウンターウエイトが前記台車の重心の後方に配置されることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、略整列された部品を、前記少なくとも2本腕で把持し、把持後に前記基台が移動し、前記基台停止後に、略整列状態に部品を整列させることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、部品を前記腕で把持するとともに移動し、移動するとともに略整列状態に部品を整列させることを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、前記腕の関節部が、モータと減速機構が一体化された中空アクチュエータで構成されていることを特徴とするものである。
請求項8に記載の発明は、前記中空アクチュエータには、コネクタによって前記アーム体内でそれぞれ分割可能に接続される線状体が挿通されていることを特徴とするものである。
請求項9に記載の発明は、前記線状体は、エンドエフェクタの動力線であることを特徴とするものである。
請求項10に記載の発明は、前記線状体は、エンドエフェクタの信号線であることを特徴とするものである。
請求項11に記載の発明は、前記線状体は、エンドエフェクタのエア用配管であることを特徴とするものである。
請求項12に記載の発明は、前記線状体は、塗料用配管であることを特徴とするものである。
請求項13に記載の発明は、前記線状体は、溶接用の配線であることを特徴とするものである。
請求項14に記載の発明は、前記線状体は、シール用配管であることを特徴とするものである。
請求項15に記載の発明は、前記腕の隣り合う関節の回転軸の傾きが90度であることを特徴とするものである。
請求項16に記載の発明は、前記関節の回転軸のうち、基端の関節の回転軸が900mmから1300mmの高さに設けられたことを特徴とするものである。
請求項17に記載の発明は、前記関節の回転軸を7軸備えたことを特徴とするものである。
請求項1、3、4、7〜17に記載の発明によると、モータパワーの消費を低減させる腕部軸構成のため、2次電池での駆動時間が拡大する。
また、請求項2、3、4に記載の発明によると、基台を移動させるための2つ以上の回転関節のサーボアンプと指令制御部は、前記腕と前記旋回軸とは分離され、前記腕と前記旋回軸の指令制御部からの外部信号の授受により動作するため、ワーク位置を検出し把持姿勢を決定させる力倣い制御のような、高速な演算周期を必要とされる場合において制御周期、演算周期を極力短くできる。
また、請求項5に記載の発明によると、略整列された部品を、前記少なくとも2本腕で把持し、把持後に前記基台が移動し、前記基台停止後に、略整列状態に部品を整列させる作業をより長時間実施できる。
また、請求項6に記載の発明によると、略整列された部品を、前記少なくとも2本腕で把持しながら前記基台が移動し、移動途中に略整列状態に部品を整列させる作業のサイクルタイムを改善し、スループットが増加する。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
まず、概略構成について説明する。
図1は、本発明の多関節マニピュレータの正面図である。図1において、基台8上に設置された胴体9は、基台8に軸支されており、サーボモータ及び減速機にて旋回自在に位置決め可能である。基台8は台車16に搭載されており、台車16は、回転関節1(移動関節)により駆動される。
なお、台車16の移動関節オムニホイールなど3関節でも良く、自動車のように3輪でも4輪でも良く、さらには、歩行関節でも良く駆動軸数や形態には限定されない。また、エンドエフェクタの到達距離を伸ばすために、胴体9の旋回軸に加えて、前後の傾動軸を付加しても良い。
図3は本発明の多関節マニピュレータの側面図である。図において、台車16には、腕と旋回関節用のコントローラ2および移動関節専用コントローラ3が搭載されている。なお、コントローラとは、産業用ロボット用コントローラとして、あらかじめ定義された動作を行うプログラムを格納し、各関節のサーボモータを駆動するアンプと、位置、速度、電流ループで構成された指令制御部をさす。
移動マニピュレータの場合、重心位置に配慮し、いかなる場合であっても転倒しないようにしている。バランスをとるために、台車16の重心位置に対して基台8の反対方向となるような後方部にカウンターバランス(図示せず)を搭載している。また、2次電池4を搭載する場合も同様で、台車16の重心位置に対して基台8の反対方向となるような後方部に搭載している。
5aは第1の腕、5bは第2の腕である。それぞれ胴体9に設けられているため、胴体9の旋回とともに腕も旋回する。
次に、腕の詳細な構造について説明する。腕の構造には種々のものが考えられるが、その一例について説明する。なお、後述するが、図1(図3)記載の腕の構造を示すものではない。
図2は、第1の腕を前方に伸ばした状態での縦断面図である。図2において、C1は第1のアーム体であり、C2は第2のアーム体であり、C3は第3のアーム体であり、C4は第4のアーム体であり、C5は第5のアーム体であり、C6は第6のアーム体、C7は第7のアーム体(エンドエフェクタ)である。第1のアームC1は関節軸J1を中心に回転し、第2のアームC2は関節軸J2を中心に回転し、第3のアームC3は関節軸J3を中心に回転し、第4のアームC4は関節軸J4を中心に回転し、第5のアームC5は関節軸J5を中心に回転し、第6のアームC6は関節軸J6を中心に回転する。第7のアームC7は関節軸J7を中心に回転する。
なお、適用アプリケーションによってはJ3軸が無くとも位置決め可能である。
関節軸J1と関節軸J2、関節軸J2と関節軸J3、関節軸J3と関節軸J4、関節軸J4と関節軸J5、関節軸J5と関節軸J6、関節軸J6と関節軸J7はそれぞれ直交するように構成されている。本軸構成によれば、動作軸を支持する軸に対し直交動作となるので、従来の産業用ロボットと同一教示操作方法に近く、効率良くティーチングが可能となる。また、関節軸J1、関節軸J3、関節軸J5、関節軸J7の夫々の回転中心が直立時に同一線上になるように構成されている。本軸構成によれば狭隘な空間に設置するために最小な寸法となる。すなわちマニプレータ上面図からの投影面積が最小になる。
ただし、関節軸J1、関節軸J3、関節軸J5、関節軸J7の夫々の回転中心にオフセット寸法を付与することも可能である。図1はJ1にオフセットを与えた場合の構成を示している。
関節軸J1はサーボモータ101によって減速機102を介して駆動されており、サーボモータ101と減速機102の回転中心は関節軸J1の回転軸と一致している。また、サーボモータ101と減速機102の回転中心には中空穴103が開口されており、線状体104が配設されている。
関節軸J2はサーボモータ14によって減速機12を介して駆動されており、サーボモータ14と減速機12の回転中心は関節軸J2の回転軸と一致している。また、サーボモータ14と減速機12の回転中心には中空穴15が開口されており、線状体10が配設されている。
関節軸J3はサーボモータ301によって減速機302を介して駆動されており、サーボモータ301と減速機302の回転中心は関節軸J3の回転軸と一致している。また、サーボモータ301と減速機302の回転中心には中空穴303が開口されており、線状体304が配設されている。
関節軸J4はサーボモータ401によって減速機402を介して駆動されており、サーボモータ401と減速機402の回転中心は関節軸J4の回転軸と一致している。また、サーボモータ401と減速機402の回転中心には中空穴403が開口されており、線状体404が配設されている。
関節軸J5はサーボモータ501によって減速機502を介して駆動されており、サーボモータ501と減速機502の回転中心は関節軸J5の回転軸と一致している。また、サーボモータ501と減速機502の回転中心には中空穴503が開口されており、線状体504が配設されている。
関節軸J6はサーボモータ601によって減速機602を介して駆動されており、サーボモータ601と減速機602の回転中心は関節軸J6の回転軸と一致している。また、サーボモータ601と減速機602の回転中心には中空穴603が開口されており、線状体604が配設されている。
関節軸J7はサーボモータ701によって減速機702を介して駆動されており、サーボモータ701と減速機702の回転中心は関節軸J7の回転軸と一致している。また、サーボモータ701と減速機702の回転中心には中空穴703が開口されており、線状体704が配設されている。
なお、線状体はアクチュエータの動力線および信号線、エンドエフェクタ用の動力線、信号線、エア用、シール用、塗料用配管、溶接用の1次ケーブル、アース線等の線状体である。また、コネクタによって、各アーム体内で分割可能に接続されている。
通常、産業用ロボットでの作業領域は前方の動作領域が重要である。従来は、「前に習え」の姿勢を維持するためには位置決めのための基本軸に重力トルクが作用して、各関節に使用するモータの消費電力が大きくなる。そのため、2次電池で駆動する移動マニプレータにおいては、その可動時間が減少する。しかし、本発明の腕構成によると、図2に示すような最伸姿勢においてX方向に重力が作用しても、各回転関節に対して垂直のため、各関節の減速機やモータ容量を小さくして可動時間を大幅に拡大した移動マニプレータを提供することができる。
また、本姿勢だけでは水平動作しか出来ないので、さらに小容量のモータを使用し、可動範囲を増やしつつ可動時間を延長せしめるには、各関節軸に動作制限を設けることもできる。この場合、COS関数により、動作角度の増加割合が、重力トルクの増加割合よりも大きいため、効率良く動作制限を与えることが可能となる。
2次電池を使用せずに外部から動力の供給を受ける場合においても、モータの総容量が小さくできるので、外部からの動力供給ケーブルを細くまたは、本数の削減ができる。この場合においても、消費電力の少ない移動マニプレータが提供できる。
なお、最も効果的な実施例は、腕の第1軸の回転軸が各々略平行が望ましいが、関節部のモータ消費電力が許容する範囲で、ロボット前方に対して角度を付して配設しても良い。
次に、コントローラについて、以下説明する。
台車は、搬送作業では所定の移動のみを行えば良く、必ずしも腕部との同期は必要でない。そこで、移動関節専用コントローラ3と腕と旋回関節用のコントローラ2とを別制御グループに置き、移動関節専用コントローラ3が、腕と旋回関節用のコントローラ2からのI/Oにより、所定のプログラムを処理し、移動関節専用コントローラ3単独で移動関節を制御している。
このように構成しているので、力倣い制御のように高速な演算周期を実現し、ワークの位置検出やワークが軟体物であり把持力のコントロールを必要とする場合には、力倣い制御を必要とする腕と旋回関節用のコントローラ2の制御軸数を軽減することができる。そのため、腕と旋回関節用のコントローラ2の演算負荷低減につながる。
また、台車部の速度変更のためモータ容量を変更したとしても、移動関節専用コントローラ3のみを変更すれば良く、腕と旋回関節用のコントローラ2のハードウエアを流用することが可能であり、システム変更に対して容易に対応できるとともに、対応期間を短縮することができる。
本実施例は、移動関節専用コントローラ3と腕と旋回関節用のコントローラ2とを分離せずに、移動関節専用コントローラ3のみで腕と旋回関節、移動関節を制御するものである。1台のコントローラで腕と旋回関節、移動関節を制御するので、腕部関節と移動関節とを協調させて動作させることができる。
部品は予め作業台に略整列されているが、作業台と移動型マニピュレータの位置は、移動型マニピュレータ進行方向に対して前方でも左右いずれの位置であっても良い。移動関節と同時に胴体が旋回し、部品を掴む位置に基台が到達したときに腕関節も掴み位置に制御できる。同様に、置き位置に対しても、腕部関節と移動関節とを協調させて動作させることにより、部品を置く位置に基台が到達したときに腕関節も置く位置に制御できる。
したがって、略整列された部品を、2本腕で把持しながら基台が移動し、移動途中に略整列状態に部品を整列させる作業のサイクルタイムを改善し、スループットを増加させることができる。置き位置や掴み位置は、作業台や部品移送用のパレットなどが想定される。部品配膳工程では複数の掴み位置から部品を取り、決められた置き位置に搬送する場合が多い。そのような場合、片腕で重量物を掴んだ後、重力トルクが作用しない姿勢にしながら、または、重力トルクが作用しない姿勢にした後、他腕で別部品を掴みにいくことで、搬送時間の大半を2次電池の消耗無しで片腕での運搬が可能になる。さらに、他腕で掴んだ後に、他腕に重力トルクが作用しない姿勢にした状態で、移動関節を駆動させれば置き位置が離れていても両腕には重力トルクを保持するための2次電池からの供給が少なくて済む。
このように両腕に重力トルクが作用しない姿勢は、図4の従来例のように下方に腕を伸ばした場合可能であるが、通常掴み位置や置き位置は人作業を想定すると900mmから1300mmの高さに部品を置くことが多いため、下方に伸ばす動作と置き高さに戻す動作が必要になり、電池を消費する。本発明では予め置き高さ付近に関節軸J1を配置することで、重力負荷があまりモータに作用しない姿勢で搬送が可能になる。
以上のように、本発明によれば、2次電池の消耗が少ないので、略整列された部品を、2本腕で把持し、把持後に前記基台が移動し、前記基台停止後に、略整列状態に部品を整列させる作業をより長時間実施できる。また、搬送部品が1本腕で把持可能な場合は、一度に2個以上の部品を搬送できるので、飛躍的に搬送効率を高めながら長時間作業することができる。
なお、上記2つの実施例においては、2本腕の場合について説明したが、複数のアームであってもよい。
本発明の実施例を示すマニピュレータ装置を示す正面図 本発明のマニピュレータの腕を示す縦断面図 本発明の実施例を示すマニピュレータ装置を示す側面図 従来のマニピュレータ装置を示す正面図
符号の説明
C1 第1のアーム体
C2 第2のアーム体
C3 第3のアーム体
C4 第4のアーム体
C5 第5のアーム体
C6 第6のアーム体
C7 第7のアーム体(エンドエフェクタ)
1 回転関節(移動関節)
2 腕と旋回関節用のコントローラ
3 移動関節専用コントローラ
4 2次電池
5a 第1の腕
5b 第2の腕
7 旋回軸
8 基台
9 胴体
10 J2軸線状体
11a コネクタ
11b コネクタ
12 J2軸減速機部
14 J2軸アクチュエータ
15 J2軸中空穴
16 台車
J1 関節軸
J2 関節軸
J4 関節軸
J5 関節軸
J6 関節軸
J7 関節軸
101 J1軸サーボモータ
301 J3軸サーボモータ
401 J4軸サーボモータ
501 J5軸サーボモータ
601 J6軸サーボモータ
701 J7軸サーボモータ
102 J1軸減速機
202 J2軸減速機
302 J3軸減速機
402 J4軸減速機
502 J5軸減速機
602 J6軸減速機
702 J7軸減速機
103 J1軸中空穴
303 J3軸中空穴
403 J4軸中空穴
503 J5軸中空穴
603 J6軸中空穴
703 J7軸中空穴
104 J1軸線状体
204 J3軸線状体
304 J4軸線状体
404 J5軸線状体
504 J6軸線状体
604 J7軸線状体

Claims (17)

  1. 台車と、前記台車を移動させるための移動関節と、前記台車に設けられた基台と、前記基台に設けられて旋回軸周りに回転する旋回関節と、前記旋回関節によって旋回する少なくとも2本の腕と、前記台車に設けられて前記移動関節、旋回関節、腕を駆動するための2次電池と、を備え、前記移動関節により移動する移動型マニピュレータにおいて、
    前記腕の位置決めのための基本軸は、重力が作用しない方向に設けられていることを特徴とする移動型マニピュレータ。
  2. 前記台車に設けられた前記腕と旋回関節を制御するための第1のコントローラと、
    前記台車に設けられた前記移動関節を制御するための第2のコントローラと、を備え、
    前記第2のコントローラは、前記第1のコントローラからの信号に基づいて動作することを特徴とする請求項1記載の移動型マニピュレータ。
  3. 前記基台は、前記台車の重心の前方に配置され、
    前記2次電池は、前記台車の重心の後方に配置されることを特徴とする請求項1または2いずれかに記載の移動型マニピュレータ。
  4. カウンターウエイトが前記台車の重心の後方に配置されることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の移動型マニピュレータ。
  5. 略整列された部品を、前記少なくとも2本腕で把持し、把持後に前記基台が移動し、
    前記基台停止後に、略整列状態に部品を整列させることを特徴とする請求項1または2いずれかに記載の移動型マニピュレータ。
  6. 部品を前記腕で把持するとともに移動し、移動するとともに略整列状態に部品を整列させることを特徴とする請求項1または2いずれかに記載の移動型マニピュレータ。
  7. 前記腕の関節部が、モータと減速機構が一体化された中空アクチュエータで構成されていることを特徴とする請求項4乃至6いずれかにに記載の移動型マニピュレータ。
  8. 前記中空アクチュエータには、コネクタによって前記アーム体内でそれぞれ分割可能に接続される線状体が挿通されていることを特徴とする請求項7記載の移動型マニピュレータ。
  9. 前記線状体は、エンドエフェクタの動力線であることを特徴とする請求項8記載のロボット。
  10. 前記線状体は、エンドエフェクタの信号線であることを特徴とする請求項8記載のロボット。
  11. 前記線状体は、エンドエフェクタのエア用配管であることを特徴とする請求項8記載のロボット。
  12. 前記線状体は、塗料用配管であることを特徴とする請求項8記載のロボット。
  13. 前記線状体は、溶接用の配線であることを特徴とする請求項8記載のロボット。
  14. 前記線状体は、シール用配管であることを特徴とする請求項8記載のロボット。
  15. 前記腕の隣り合う関節の回転軸の傾きが90度であることを特徴とする請求項7に記載の移動型マニピュレータ。
  16. 前記関節の回転軸のうち、基端の関節の回転軸が900mmから1300mmの高さに設けられたことを特徴とする請求項15に記載の移動型マニピュレータ。
  17. 前記関節の回転軸を7軸備えたことを特徴とする請求項16記載の移動型マニピュレータ。
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