JP2010091382A - Collision-testing device - Google Patents
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Abstract
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の被衝突体への衝突を模擬的に再現する衝突試験装置に関する。 The present invention relates to a collision test apparatus that simulates a collision of a robot arm that is tilted and dropped by its own weight with a joint weight of an industrial articulated robot being released from a posture maintenance state by a joint axis, and which is tilted by its own weight as a fulcrum. .
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。
In general, an industrial articulated robot includes a
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、この落下位置に他の機器類があったり、万一人がロボットアーム2の下方に侵入していた場合には、ロボットアーム2の衝突により他の機器類が損傷したり、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の落下による他の機器類が損傷を防止したり人に対する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。
By the way, when the signal for controlling the drive source of the
しかし、アーム部3,4に装着した表皮部材7が安全性の向上にどれだけの効果があるかについての評価は行われていないのが現状である。このため、自重により傾動落下するロボットアーム2が他の機器類や人に接触した場合の状況を模擬的に再現する試験を行うことが望まれている。
However, at present, no evaluation is made on how much the
従来、この種の試験装置として、基台上に直立した支柱の上端に回転軸を介して支持されたアームと、このアームの先端に設けられた試験ヘッドとを備え、アームを振り子運動させることにより、試験ヘッドを被衝突面に衝突させるものが知られている(下記特許文献1参照)。このものでは、支柱とアームが任意の角度となるように試験ヘッドを任意の高さまで上げ、この高さから自由落下させた試験ヘッドを被衝突面に衝突させる。更に、アームは伸縮可能に構成されており、アームの長さを変更することで異なる加速度での試験が行えるようになっている。
Conventionally, as this type of test equipment, an arm supported on the upper end of a support column upright on a base via a rotating shaft and a test head provided at the tip of this arm is used to make the arm swing. Is known to cause the test head to collide with the surface to be collided (see
産業用多関節ロボットの場合、図1に示すように、ロボットアーム2の重量が予めわかっていても、各アーム部3,4の長さ方向の何れの位置が他の機器類や人に接触するかは他の機器類や人の位置によって変化する。このため、上記従来の試験装置を用いて、産業用多関節ロボットのロボットアーム2の傾動落下を再現する場合には、アームの長さを変更して衝突位置を変化させることが考えられるが、試験ヘッドが落下時の荷重を有しているため、アームの長さを変更した時点で荷重位置も変化してしまい、ロボットアーム2の傾動落下を正確に再現することができない。また、ロボットアーム2の重量が比較的大であるため、試験ヘッドの重量を大とする必要があり、この試験ヘッドを所定の高さ位置まで上げるために比較的大きな駆動源が必要となるだけでなく、試験ヘッドの高さ位置も高精度に制御する必要があるため、装置構成が大掛かりとなってコストが増加する。
本発明は、上記の点に鑑み、簡単な構成でありながら荷重の比較的大きいロボットアームの落下を模擬的に再現することができ、精度の高い衝突試験が容易に行える衝突試験装置を提供することを課題とする。 In view of the above points, the present invention provides a collision test apparatus that can simulate the fall of a robot arm having a relatively large load while having a simple configuration and can easily perform a high-precision collision test. This is the issue.
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の被衝突体への衝突を模擬的に再現する衝突試験装置であって、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い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、試験用表皮部材が衝突した際の前記被衝突体に付与される衝撃荷重を測定する衝撃荷重測定手段とを備えることを特徴とする。 In order to solve such a problem, the present invention simulates a collision of a robot arm that is tilted and dropped by its own weight with the joint axis of the industrial articulated robot being released from the posture maintenance state by the joint axis and falling on its own axis. A collision test apparatus that reproduces the oscillating force, the oscillating arm standing on the base with the lower end pivotably connected via the oscillating shaft, and the oscillating arm detachably held by the oscillating arm. A weight member that can be changed, and a test skin member that is formed of the same material type as the skin member that covers the robot arm, is detachably attached to the swing arm, and is movable along the length of the swing arm A fixing means for releasably fixing the test skin member to a predetermined position along the swing arm, a drop starting means for tilting and dropping the swing arm from a standing state, and the swing arm tilting and dropping Shi A support base for supporting the object to be collided at a position where the test skin member collides, and an impact load measuring means for measuring an impact load applied to the object to be collided when the test skin member collides. It is characterized by providing.
本発明によれば、前記揺動アームを起立状態として前記試験用表皮部材を前記固定手段によって所定の高さ位置に固定し、該試験用表皮部材の衝突位置に対応する位置に前記支持台により被衝突体を支持する。試験用表皮部材は固定手段による固定を解除することで、揺動アームに沿って移動させることができるので、揺動アームに保持されたウエイト部材の位置を変えることなく試験用表皮部材の位置を変更することができる。これにより、試験用表皮部材をロボットアームに装着された表皮部材の所望の位置に対応させることができ、構造簡単として、ロボットアームの表皮部材を複数の位置において模擬することができる。 According to the present invention, the test skin member is fixed at a predetermined height position by the fixing means with the swinging arm in an upright state, and the support table is positioned at a position corresponding to the collision position of the test skin member. Support the impacted body. Since the test skin member can be moved along the swing arm by releasing the fixing by the fixing means, the position of the test skin member can be adjusted without changing the position of the weight member held by the swing arm. Can be changed. Thereby, the skin member for a test can be made to correspond to the desired position of the skin member attached to the robot arm, and the skin member of the robot arm can be simulated at a plurality of positions as the structure is simple.
また、ウエイト部材はその重量が変更可能であるので、揺動アームの重量をロボットアームの重量に合わせて変更することができる。前記揺動アームは、前記ウエイト部材を保持して前記落下起動手段により起立状態から傾動落下するので、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の動きを再現することができる。 Further, since the weight of the weight member can be changed, the weight of the swing arm can be changed in accordance with the weight of the robot arm. The swing arm holds the weight member and is tilted and dropped from the standing state by the fall starting means, so that the posture maintaining state by the joint axis of the industrial articulated robot is released, and the joint axis is used as a fulcrum by its own weight. The movement of the tilting and falling robot arm can be reproduced.
そして、傾動落下した揺動アームに保持された試験用表皮部材は、上述した通り確実にロボットアームの傾動落下が再現された状態で、支持台に支持された被衝突体に衝突するので、衝撃荷重測定手段によって精度良く衝撃荷重を測定することができる。 The test skin member held by the swinging arm that has been tilted and dropped collides with the collision target supported by the support base in a state where the tilting and dropping of the robot arm has been reliably reproduced as described above. The impact load can be accurately measured by the load measuring means.
また、本発明において、前記被衝突体が、人の標準的身体特性を有する模型であれば、ロボットアームが傾動落下してその表皮部材が人に接触した状態を模擬することができ、ロボットアームの表皮部材の安全性を評価するにあたり極めて有利である。 Further, in the present invention, if the collided object is a model having standard human body characteristics, it is possible to simulate a state in which the robot arm tilts and falls and the skin member contacts the person. This is extremely advantageous in evaluating the safety of the skin member.
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は本発明の一実施装置の概略構成を示す説明図、図3は本実施形態における揺動アームを一部破断して示す側面視説明図、図4は本実施形態における揺動アームを一部破断して示す正面視説明図、図5は本実施形態における支持台の要部を示す説明図、図6は本実施形態における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。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing an example of an industrial articulated robot, FIG. 2 is an explanatory view showing a schematic configuration of an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a side view showing a partially broken swing arm in the present embodiment. FIG. 4 is a front view explanatory view showing a part of the swing arm in the present embodiment, FIG. 5 is an explanatory view showing the main part of the support base in the present embodiment, and FIG. 6 is in the present embodiment. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the thickness of the test skin member and the impact load in a predetermined contact area measured by the measurement process, and FIG. It is a graph which shows the relationship between an impact load and a contact area.
本実施形態の衝突試験装置は、図1に一例を示すような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。
The collision test apparatus of this embodiment simulates an industrial articulated robot as shown in FIG. As shown in FIG. 1, the industrial articulated robot includes a
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。本実施形態の衝突試験装置は、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、本実施形態の衝突試験装置は、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。
For example, when the signal for controlling the drive source of the second joint shaft 6 is inadvertently interrupted due to a power failure or the like, the
衝突試験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。
The configuration of the collision test apparatus will be described in more detail. As shown in FIGS. 3 and 4, the
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。
As shown in FIGS. 3 and 4, a
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。
The
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。
Further, as shown in FIG. 3, the thickness of the sliding
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。
As shown in FIG. 3, a plurality of
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。
Further, the
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。
As shown in FIG. 4, a fixing
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。
As shown in FIG. 2, the
次に、以上の構成による衝突試験装置を用いた試験の一例について説明する。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。
Next, an example of a test using the collision test apparatus having the above configuration will be described. First, the
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。
Subsequently, the colliding body 14 (the head of a human model) is placed on the mounting
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。
Next, the fixing
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。 Here, furthermore, the safety of the industrial articulated robot can be easily evaluated by using the data showing the relationship between the impact load equivalent to the human fracture and the contact area, as shown in the graph of FIG. be able to. The data shown in the graph of FIG. 8 shows, for example, the impact load until damage corresponding to a fracture occurs on a human head model having a standard strength of a human skull while changing the contact area for each material type. This data was obtained by measurement, and this data collection operation was performed prior to the test in this embodiment. In addition, the human head model which has the standard intensity | strength of a human skull can use what was produced, for example in Sawbones Corporation of the United States. In this data collection operation, a load is applied to the extent that the human head model is not broken, that is, in the elastic region of the human head model, and the strain corresponding to the load of the human head model is applied to the strain gauge. And check for individual differences.
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)。 Since the impact load equivalent to the human fracture in the predetermined contact area is obtained using the graph of FIG. 8, the human fracture is determined based on the relationship between the thickness dimension and the impact load for each of the materials A and B shown in FIG. A combination of a synthetic resin material having a considerable impact load and an employable thickness dimension can be obtained as evaluation data h (evaluation data generation step).
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。
Then, using the evaluation data h obtained as described above, it is only necessary to confirm the load of the
なお、本実施形態においては、被衝突体として人の標準的身体特性を有する模型を用いたが、ロボットアーム2の落下による他の機器類の損傷を防止するために表皮部材7を選定する場合には、例えば、図示しないが、被衝突体として、機器類の筐体を模したものを用いてもよい。
In the present embodiment, a model having a standard human body characteristic is used as the collision target. However, when the
また、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。 The industry here refers to all industries including not only industry but also primary industry, industry and other secondary industries, and tertiary industries.
2…ロボットアーム、5,6…関節軸、7…表皮部材、10…揺動アーム、11…試験用表皮部材、12…ウエイト部材、13…支持台、14…被衝突体、15…基台、17…揺動軸、23…ボルト(固定手段)、27…落下起動手段、37…衝撃荷重測定手段。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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い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、
試験用表皮部材が衝突した際の前記被衝突体に付与される衝撃荷重を測定する衝撃荷重測定手段とを備えることを特徴とする衝突試験装置。 A collision test apparatus that simulates a collision of a robot arm that is tilted and dropped by its own weight with the joint axis as a fulcrum when the posture maintenance state by the joint axis of the industrial articulated robot is released,
An oscillating arm whose lower end is pivotably connected to the base via an oscillating shaft;
A weight member detachably held on the swing arm and capable of changing weight;
A test skin member formed of the same material type as the skin member covering the robot arm, detachably attached to the swing arm, and held movably along the length of the swing arm;
Fixing means for releasably fixing the test skin member to a predetermined position along the swing arm;
Drop starting means for tilting and dropping the swing arm from an upright state;
A support base for supporting the object to be collided at a position where the test skin member collides when the swing arm is tilted and dropped;
An impact test apparatus comprising: an impact load measuring means for measuring an impact load applied to the collision target when the test skin member collides.
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