JP2010091381A

JP2010091381A - 産業用多関節ロボットの安全性評価方法

Info

Publication number: JP2010091381A
Application number: JP2008260950A
Authority: JP
Inventors: Misa Kikuchi; 紗菊池
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2010-04-22

Abstract

【課題】産業用多関節ロボットのロボットアームの表皮部材の材料種毎の安全性を的確に評価することができる産業用多関節ロボットの安全性評価方法を提供する。
【解決手段】自重により傾動落下するロボットアームを模擬する模擬落下装置を用い、先ず、衝撃付与工程により、試験用表皮部材１１を取り付けた落下手段１０を落下させて被衝突体１４に衝撃を付与する。次いで、測定工程により、材料種の異なる試験用表皮部材１１毎に衝撃荷重を測定する。次いで、評価用データ生成工程により、表皮部材の材料種毎に予め採取された人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すデータと、測定工程により測定した試験用表皮部材の衝撃荷重に基づいて、表皮部材の材料種毎の評価用データを生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、産業用多関節ロボットの関節軸による姿勢維持状態が解除されて当該関節軸を支点として自重により傾動落下するロボットアームを模擬的に再現することにより、産業用多関節ロボットの安全性を評価する産業用多関節ロボットの安全性評価方法に関する。

一般に、産業用多関節ロボットは、図１に示すように、ベース部１から延びるロボットアーム２を備えている。このロボットアーム２は、複数の関節軸５，６により連結されて各関節軸５，６を介して屈曲自在とされた複数のアーム部３，４により構成されている。また、各アーム部３，４は、各関節軸５，６に組み込まれたモータ等の駆動源を制御することで屈伸動作が行われると共に、ロボットアーム２の姿勢が所定の姿勢に維持される。

ところで、ロボットアーム２の駆動源を制御する信号が停電等により不用意に遮断された場合には、ロボットアーム２の姿勢維持状態が解除され、ロボットアーム２が例えば関節軸６を支点として自重により傾動落下するおそれがある。そして、この落下位置に、万一、人が入り込んでいた場合には、ロボットアーム２が人に接触する事態が生じるおそれもある。そこで、ロボットアーム２の落下時の安全性を向上させるために、アーム部３，４に合成樹脂製の表皮部材７を取り付けることが行われる。

しかし、この種の表皮部材７は、ロボットアーム２による作業を阻害しないように軽量且つ薄肉であることが好ましく、安全性の向上が十分に望めないおそれがある。このため、安全性の向上に効果的な表皮部材７の材料種（材質や厚み寸法）を的確に選定する必要があり、表皮部材７の材料種の選定の一指針として、表皮部材７の材料種毎の安全性を評価するための試験を行うことが望まれている。

この種の試験としては、自重により傾動落下するロボットアームを模擬的に再現し、ロボットアームを被覆する表皮部材を模した試験用表皮部材が衝突した際の被衝突物の損傷度合いを確認することが挙げられる。

そこで、下記特許文献１に見られるような自動車等の車両の衝突試験装置を用いて試験を行うことが考えられる。しかし、この衝突試験装置は、高速移動する台車を振り子状のインパクタに衝突させ、インパクタから衝撃を受ける人形の損傷度合いを確認するもので、実際の車両に近い状態での衝突を再現するためのものとなっている。このため、自重により傾動落下するロボットアームを模擬的に再現することはできない。即ち、自重により傾動落下するロボットアームの落下速度は比較的低速である反面、落下したロボットアームに衝突した被衝突体は床面とロボットアームとの間に挟まれた状態でロボットアームの荷重が付与される。こうした状況を車両の衝突試験装置により再現することは困難であり、従って、ロボットアームの表皮部材の材料種毎の安全性を正確に評価することも困難である。
特開平８−２４０５０９号公報

本発明は、上記の点に鑑み、産業用多関節ロボットのロボットアームの表皮部材の材料種毎の安全性を的確に評価することができる産業用多関節ロボットの安全性評価方法を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本発明は、産業用多関節ロボットの安全性評価方法であって、産業用多関節ロボットの関節軸による姿勢維持状態が解除されて当該関節軸を支点として自重により傾動落下するロボットアームを模擬的に再現する荷重変更自在の落下手段を備える模擬落下装置と、前記ロボットアームを被覆する表皮部材を模してその表皮部材に採用される材料種毎に複数用意され、前記落下手段に交換自在に取り付けられる試験用表皮部材と、人の標準的身体特性を有して前記落下手段に取り付けた試験用表皮部材が衝突する被衝突体と、該被衝突体が試験用表皮部材から受ける衝撃荷重を測定する衝撃荷重測定手段とを用い、被衝突体との接触面積が所定の面積に予め設定された試験用表皮部材を取り付けた前記落下手段を、材料種の異なる試験用表皮部材に変更する毎に落下させて被衝突体に衝撃を付与する衝撃付与工程と、該衝撃付与工程における材料種の異なる試験用表皮部材毎に前記衝撃荷重測定手段により衝撃荷重を測定する測定工程と、前記ロボットアームを被覆する表皮部材の材料種毎に予め採取された人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すデータと、前記測定工程により測定した試験用表皮部材の衝撃荷重に基づいて、表皮部材の材料種毎の評価用データを生成する評価用データ生成工程とを備えることを特徴とする。

本発明の安全性評価方法は、自重により傾動落下するロボットアームを模擬的に再現する模擬落下装置と人の標準的特性を有する被衝突体とを用いるものである。模擬落下装置は落下手段により被衝突体との接触面積が所定の面積に予め設定された試験用表皮部材を被衝突体に向けて落下させる。これにより、前記衝突付与工程では、自重により傾動落下するロボットアームの表皮部材が人に衝突した状態が模擬的に再現される。

本発明の安全性評価方法によれば、ロボットアームを被覆する表皮部材に採用される材料種毎（材質毎や厚み寸法毎）に試験用表皮部材が複数用意されていて、前記衝突付与工程により、これらの材料種の異なる試験用表皮部材を被衝突体に衝突させる。そして、前記測定工程においては、試験用表皮部材の材料種毎に衝撃荷重を測定する。こうすることにより、各試験用表皮部材の材料種と被衝突体が受ける衝撃荷重との関係を的確に把握することができる。

本発明においては、次いで、前記評価用データ生成工程を行う。評価用データ生成工程においては、表皮部材の材料種毎に予め採取された人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すデータを用いる。このデータは、例えば、人の頭蓋骨の標準的強度を有する人頭部模型に対して、材料種毎に接触面積を変えながら骨折に相当する損傷が生じるまでの衝撃荷重を測定することにより得ることができる。そして、このデータによれば、骨折が生じる衝撃荷重と接触面積との関係が表皮部材の材料種毎に把握することが可能となる。そこで、前記測定工程により測定された所定の接触面積における衝撃荷重に人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すデータを適用し、前記衝撃付与工程において被衝突体に衝突させた試験用表皮部材毎（表皮部材の材料種毎）に評価用データを生成する。

以上のようにして生成した評価用データによれば、実際の産業用多関節ロボットにおけるロボットアームの荷重、表皮部材の材料種、及び想定される接触面積とを確認するだけで、当該産業用多関節ロボットの安全性を極めて容易に評価することができる。或いは、実際の産業用多関節ロボットのロボットアームの荷重と想定される接触面積とを確認するだけで、当該ロボットアームに取り付ける表皮部材の材料種を的確に選定することができる。

なお、本発明の安全性評価方法において用いられる前記模擬落下装置の具体的構成として、例えば、基台上に下端が揺動軸を介して揺動自在に連結されて起立する落下手段たる揺動アームと、該揺動アームに着脱自在に保持されて重量が変更可能なウエイト部材と、前記ロボットアームを被覆する表皮部材と同じ材料種で形成されて前記揺動アームに着脱自在且つ揺動アームの長手に沿って移動自在に保持された試験用表皮部材と、該試験用表皮部材を前記揺動アームに沿った所定位置に解除自在に固定する固定手段と、前記揺動アームを起立状態から傾動落下させる落下起動手段と、前記揺動アームが傾動落下したしたとき、試験用表皮部材が衝突する位置に前記被衝突体を支持する支持台とを備える装置を挙げることができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は産業用多関節ロボットの一例を示す説明図、図２は安全性評価方法で用いた模擬落下装置の概略構成を示す説明図、図３は模擬落下装置の揺動アームを一部破断して示す側面視説明図、図４は揺動アームを一部破断して示す正面視説明図、図５は衝撃荷重測定手段を示す説明的平面図、図６は衝撃荷重測定手段の構成を示す説明図、図７は測定工程により測定された所定の接触面積における試験用表皮部材の厚み寸法毎と衝撃荷重との関係を示すグラフ、図８は人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すグラフである。

本実施形態で用いる模擬落下装置は、図１に一例を示す産業用多関節ロボットを模擬するものである。図１に示すように、産業用多関節ロボットは、ベース部１と、このベース部１に支持されて先端に作業用工具等が連結されたロボットアーム２とを備えている。ロボットアーム２は第１アーム部３と第２アーム部４とを備えている。第１アーム部３と第２アーム部４とは第１関節軸５を介して屈伸自在に連結されている。ベース部１は第２関節軸６を介して第２アーム部４を揺動自在に連結し支持している。各関節軸５，６には、図示しないモータ等の駆動源が取り付けられている。ロボットアーム２は、駆動源を制御することで屈伸動作が行われると共に、姿勢が所定の姿勢に維持される。そして、ロボットアーム２の少なくとも第１アーム部３及び第２アーム部４には、合成樹脂製の表皮部材７を取り付けることで、ロボットアーム２が他部に接触した際の安全性を向上させることが可能となる。

ロボットアーム２は、例えば、第２関節軸６の駆動源を制御する信号が停電等により不用意に遮断された場合には、その姿勢維持状態が解除され、第２関節軸６を支点として自重により傾動落下するおそれがある。本実施形態で用いる装置は、自重により傾動落下するロボットアーム２とそのロボットアーム２に表皮部材７を介して人が接触した際の状況を再現する。即ち、図２に示すように、本実施形態における模擬落下装置は、ロボットアーム２を模擬する揺動アーム１０を備え、揺動アーム１０は、その下端部を支点として一方向に傾動落下するようになっている。揺動アーム１０は傾動する側に試験用表皮部材１１を保持しており、その反対側にウエイト部材１２を保持している。そして、揺動アーム１０に保持された試験用表皮部材１１の落下位置には支持台１３上に支持された被衝突体１４を位置させておき、試験用表皮部材１１を被衝突体１４に衝突させるようになっている。

模擬落下装置の構成を更に詳しく説明する。図３及び図４に示すように、揺動アーム１０は、基台１５のフレーム１６に回転自在に支持された揺動軸１７により揺動自在に設けられている。揺動軸１７は揺動アーム１０の下端に一体に連結された連結部材１８に回転不能に設けられている。図３に示すように、連結部材１８における揺動アーム１０の連結位置は、揺動軸１７の直上ではなく、一方向に所定距離を存して位置している。揺動アーム１０は、揺動軸１７が位置する側に傾動落下し、その反対側はフレーム１６に設けられたストッパ１９により揺動が規制されて起立姿勢となる。図４に示すように、揺動軸１７には、その回転位置を検出するためのエンコーダ２０が連結されいる。

図３及び図４に示すように、揺動アーム１０の傾動落下する側には試験用表皮部材１１が保持されている。試験用表皮部材１１は、揺動アーム１０の長手方向に延びるレール部２１に沿って摺動自在の摺動部材２２に着脱自在に保持されている。摺動部材２２は、ボルト２３の頭部２４がレール部２１の内部で抜け止め保持されておりナット２５の締め付けにより所定位置で摺動不能に固定される。即ち、ボルト２３及びナット２５は本発明の固定手段を構成している。

試験用表皮部材１１は、前述したロボットアーム２の表皮部材７を模したものであって、被衝突体１４との接触面積が所定の面積に予め設定されており、表皮部材７に好適に採用されることが想定される材料種毎に複数用意されている。即ち、試験用表皮部材１１は、異なる合成樹脂素材毎に複数用意され、更に、当該材料毎に厚み寸法の異なるものが複数用意されている。好ましい合成樹脂素材としては、スチレン系エラストマーや発泡ポリプロピレン等を挙げることができる。

また、図３に示すように、試験用表皮部材１１の衝突面を正しく揺動軸１７中心で移動させるべく、摺動部材２２の厚みを変更することにより、側面視において試験用表皮部材１１の面が揺動軸１７の軸心の直上位置に合致するように調整する。これは、産業用多関節ロボットのロボットアーム２にみたてた揺動アーム１０から、表皮部材７を模擬する試験用表皮部材１１の面だけが突出しないようにするためである。

また、図３に示すように、揺動アーム１０の上部側には、ウエイト支持部材２６によって着脱自在に支持された複数のウエイト部材１２が保持されている。ウエイト支持部材２６に支持される各ウエイト部材１２を増減させることで、揺動アーム１０の重量を増減することができ、これによってロボットアーム２の重量に合わせることができる。

更に、フレーム１６には、揺動アーム１０を起立状態から傾動落下させる落下起動手段２７が設けられている。落下起動手段２７は、ギヤボックス付きのモータ２８（図４参照）と、このモータ２８のギヤボックスを介した出力回転軸２９に設けられたカム部材３０とによって構成されている。モータ２８によりカム部材３０を回転させることにより、揺動アーム１０がその背後から倒れ方向に押し出され、これによって、揺動アーム１０は自重で傾動落下する。

なお、図４に示すように、揺動アーム１０の一側には、揺動アーム１０を略垂直に起立する姿勢に維持するための固定ピン３１が設けられている。固定ピン３１は、揺動アーム１０に設けられた係合部材３２の挿通孔３３を介して、フレーム１６の挿着部材３４に形成されている挿着孔３５に挿着され、揺動アーム１０の不用意な傾動落下を防止する。揺動アーム１０を傾動落下させる際には、前記カム部材３０を作動させるに先立ち固定ピン３１を取り除く。

支持台１３は、図２に示すように、被衝突体１４を支持する平坦な台である。被衝突体１４は、人の標準的身体特性を有する模型であり、本実施形態においては、この模型において人の頭部を模擬する部分を用いる。図５に示すように、被衝突体１４の載置位置には、載置板３６が設けられており、この載置板３６の下方には、図６に示すように、被衝突体１４に付与される衝撃荷重を測定する衝撃荷重測定手段３７が設けられている。衝撃荷重測定手段３７は、ロードセル３８と、その両側で載置板３６を水平状態で案内する一対の案内ロッド３９とによって構成されている。なお、衝突荷重測定手段３７は、モニタＭに接続され、測定された単位時間毎の荷重の記録、視覚的表示、プリントアウト、持ち運び可能な記録媒体への保存、外部記憶手段への通信等を行うことが可能になっている。

次に、本実施形態における産業用多関節ロボットの安全性評価方法を説明する。先ず、揺動アーム１０の摺動部材２２に試験用表皮部材１１を取り付け、ウエイト支持部材２６に揺動アーム１０が所望の重量となるようにウエイト部材１２を取り付ける。次いで、摺動部材２２を摺動させて試験用表皮部材１１を所望の位置で固定する。これにより、ウエイト部材１２の位置を変えることなく試験用表皮部材１１の位置を所望の位置に保持させることができ、揺動アーム１０を実際のロボットアーム２を想定した一定の重量として、表皮部材７の接触位置を適宜選択することができる。また、試験用表皮部材１１の位置を変えることなく、ウエイト部材１２の増減による揺動アーム１０の重量を変更することもできる。

続いて、支持台１３の載置板３６上に被衝突体１４（人の模型の頭部）を載置し、更に、支持台１３を移動させて、被衝突体１４が試験用表皮部材１１の落下位置となるように位置決めする。

次いで、固定ピン３１を取り除き、落下起動手段２７のカム部材３０を回転させて揺動アーム１０を傾動落下させ、被衝突体１４に試験用表皮部材１１を衝突させて衝撃を付与する（衝撃付与工程）。このとき、被衝突体１４が受けた衝撃荷重をロードセル３８により測定する（測定工程）。そして、衝撃付与工程及び測定工程は、試験用表皮部材１１の材料種を変更して繰り返し行われる。本実施形態においては、先ず、１種類の合成樹脂素材Ａについて厚み寸法の異なる複数の試験用表皮部材１１での衝撃付与工程及び測定工程を繰り返し行い、次いで、他の種類の合成樹脂素材Ｂについて厚み寸法の異なる複数の試験用表皮部材１１での衝撃付与工程及び測定工程を繰り返し行う。これによって、各合成樹脂素材Ａ，Ｂでの厚み寸法毎の衝撃荷重が測定できる。そして、このとき測定された衝撃荷重により、図７のグラフのように、所定の接触面積（図７においては４０００mm²）における試験用表皮部材１１の各素材Ａ，Ｂについての厚み寸法（１０mm〜６０mm）と衝撃荷重との関係を示すことができる。

ここで更に、図８のグラフで示されるような、予め採取された人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すデータを用いれば、産業用多関節ロボットの安全性を容易に評価することができる。図８のグラフにおいて示されるデータは、例えば、人の頭蓋骨の標準的強度を有する人頭部模型に対して、材料種毎に接触面積を変えながら骨折に相当する損傷が生じるまでの衝撃荷重を測定することにより得られたものであり、このデータの採取作業は、本実施形態における試験に先立って行われたものである。なお、人の頭蓋骨の標準的強度を有する人頭部模型は、例えば、米国のＳａｗｂｏｎｅｓ社にて作製されたものが使用できる。そして、このデータの採取作業においては、当該人頭部模型が壊れない程度に、即ち人頭部模型の弾性域で、荷重を加え、該人頭部模型の荷重に応じた歪を歪ゲージにて測定し、個体差がないかどうか確認する。

図８のグラフを用いて、所定の接触面積における人体骨折相当の衝撃荷重が求められるので、図７に示す各素材Ａ，Ｂについての各厚み寸法と衝撃荷重との関係に基づいて、人体骨折相当の衝撃荷重を下回る合成樹脂素材と採用可能な厚み寸法との組み合わせを評価用データｈとして得ることができる（評価用データ生成工程）。

そして、以上のようにして求められた評価データｈを用いれば、実際の産業用多関節ロボットにおけるロボットアーム２の荷重、表皮部材７の材料種、及び想定される接触面積を確認するだけで、当該産業用多関節ロボットの安全性を極めて容易に評価することができる。或いは、実際の産業用多関節ロボットのロボットアーム２の荷重及び想定される接触面積を確認するだけで、当該ロボットアーム２に取り付ける表皮部材７の材料種を的確に選定することができる。

なお、ここで産業とは、工業のみならず、第１次産業や、工業その他の第２次産業、又は第３次産業等を含む全ての産業である。

産業用多関節ロボットの一例を示す説明図。安全性評価方法で用いた模擬落下装置の概略構成を示す説明図。模擬落下装置の揺動アームを一部破断して示す側面視説明図。揺動アームを一部破断して示す正面視説明図。衝撃荷重測定手段を示す説明的平面図。衝撃荷重測定手段の構成を示す説明図。測定工程により測定された所定の接触面積における試験用表皮部材の厚み寸法毎と衝撃荷重との関係を示すグラフ。人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すグラフ。

符号の説明

２…ロボットアーム、５，６…関節軸、７…表皮部材、１０…揺動アーム（落下手段）、１１…試験用表皮部材、１４…被衝突体、３７…衝撃荷重測定手段。

Claims

産業用多関節ロボットの安全性評価方法であって、
産業用多関節ロボットの関節軸による姿勢維持状態が解除されて当該関節軸を支点として自重により傾動落下するロボットアームを模擬的に再現する荷重変更自在の落下手段を備える模擬落下装置と、前記ロボットアームを被覆する表皮部材を模してその表皮部材に採用される材料種毎に複数用意され、前記落下手段に交換自在に取り付けられる試験用表皮部材と、人の標準的身体特性を有して前記落下手段に取り付けた試験用表皮部材が衝突する被衝突体と、該被衝突体が試験用表皮部材から受ける衝撃荷重を測定する衝撃荷重測定手段とを用い、
被衝突体との接触面積が所定の面積に予め設定された試験用表皮部材を取り付けた前記落下手段を、材料種の異なる試験用表皮部材に変更する毎に落下させて被衝突体に衝撃を付与する衝撃付与工程と、
該衝撃付与工程における材料種の異なる試験用表皮部材毎に前記衝撃荷重測定手段により衝撃荷重を測定する測定工程と、
前記ロボットアームを被覆する表皮部材の材料種毎に予め採取された人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すデータと、前記測定工程により測定した試験用表皮部材の衝撃荷重に基づいて、表皮部材の材料種毎の評価用データを生成する評価用データ生成工程とを備えることを特徴とする産業用多関節ロボットの安全性評価方法。