JP2011101918A - ロボット及びロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】可動範囲をより大きくしながらも、省スペース性能をより向上することができるようにした、ロボット及びロボットシステムを提供する。
【解決手段】基台１０と、複数の関節により連結された複数の構造材からなるアームと、を有するロボット１であって、アームは、ある関節の回転軸と次の関節の回転軸との位置が所定方向にオフセットされるとともに、次の関節の回転軸と次々の関節の回転軸との位置が所定方向とは反対方向にオフセットされたオフセット部を有して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転あるいは旋回する関節を複数有するロボット及びロボットシステムに関する。

一般に垂直多関節型といわれるロボットの多くは、基台に設置されたアームに６軸あるいは７軸の回転関節を有し、各関節よりも先端側のアームを回転あるいは旋回させるように構成されている。
かかるロボットにおいては、アームの長さを大きく設定することで、ロボットの手先の可動範囲をより遠くに設定することができる。その一方、アームを折り畳んで基台の近辺域にロボットの手先を位置させる場合、自身のアームとの干渉を回避する必要があるため、基台の近傍はロボットの手先の可動範囲から外れることとなる。

近年、ロボットには、より複雑な動作や動作範囲が求められており、手先を基台から十分に遠くまで配置させながらも、基台のより近傍に手先を位置させて作業をすることが求められている。
この問題を解決するための技術として、特許文献１には、アームの半ばからアームの回転軸をオフセットさせる構成が開示されている。特許文献１の技術によれば、アームを折り畳んだ状態などでも自身のアーム同士の干渉を回避しながらも広い可動領域を確保することができる。

特開２００８−２７２８８３

ところで、ロボットには、より広い可動領域を確保しながらもより小型でよりコンパクトに構成することが求められている。特に、ロボットの不使用時等にはアームが略直線状になる姿勢をとり、周囲の物体と干渉する領域が最小になるようにしている。
しかしながら、特許文献１の技術のごとくアームの回転軸をオフセットさせる構成では、アームの関節部を可動させてアームを直線状としてもオフセットした分だけアームが張り出すこととなるため、ロボットの省スペース性能の向上に限界がある。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであって、可動範囲をより大きくしながらも、省スペース性能をより向上することができるようにした、ロボット及びロボットシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明は次のように構成した。
本願発明（請求項１）にかかるロボットは、基台と、複数の関節により連結された複数の構造材からなるアームと、を有するロボットであって、前記アームは、ある関節の回転軸と次の関節の回転軸との位置が所定方向にオフセットされるとともに、前記次の関節の回転軸と次々の関節の回転軸との位置が前記所定方向とは反対方向にオフセットされたオフセット部を有していることを特徴としている。

本願発明（請求項２）にかかるロボットは、基台と、前記基台に対して第１構造材を回転させる第１関節と、前記第1構造材に対して第２構造材を旋回させる第２関節と、前記第２構造材に対して第３構造材を回転させる第３関節と、前記第３構造材に対して第４構造材を旋回させる第４関節と、前記第４構造材に対して第５構造材を回転させる第５関節と、前記第５構造材に対して第６構造材を旋回させる第６関節と、を有し、前記第３関節の回転軸と前記第４関節の回転軸との位置が所定方向にオフセットされるとともに、前記第４関節の回転軸と前記第５関節の回転軸との位置が前記所定方向の反対方向にオフセットされてなることを特徴としている。

また、前記第６構造材と第７構造材とを回転させる第７関節を有していることが好ましい（請求項３）。
また、前記第６関節の回転軸と直交する回転軸まわりに動作し前記第６構造材に対して第７構造材を旋回させる第７関節を有していることが好ましい（請求項４）。

また、少なくとも前記第３関節から前記第４関節を経て前記第５関節にかけて給電ケーブルが配索されていることが好ましい（請求項５）。

本願発明（請求項６）にかかるロボットシステムは、胴体を有し、前記胴体に請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボットが一対取り付けられていることを特徴としている。
また、前記一対のロボットは、それぞれ前記胴体に左右対称となるように設置され、前記胴体は、設置面に固定されるベース材と、前記ベース材に対して旋回可能な旋回軸を介して連結された胴体本体と、を有し、前記旋回軸の回転軸と前記ロボットの基台の位置がオフセットされていることが好ましい（請求項７）。

本願発明（請求項１）によれば、次の関節部を折り曲げた際には、関節の回転軸と次の関節の回転軸とのオフセット量と、次の関節の回転軸と次々の関節の回転軸とのオフセット量と合算した分だけ、関節の回転軸と次々の関節の回転軸とがオフセットされることとなるので、自身と干渉する領域をより低減することができ、アームの長さを増大させることなくロボット手先の可動領域を広く確保することができる。
また同時に、アームの周囲への干渉領域を最小にする姿勢とした状態では、オフセットにより周囲に張り出す量をより低減して、アームの単に回転軸をオフセットさせたものと比較して省スペース性能をより向上することができる。

本願発明（請求項２）によれば、少なくとも６自由度を有するロボットにおいて、回転軸である第３関節と旋回軸である第４関節とをｄ１だけオフセットさせ、さらに第４関節と回転軸である第５関節とを反対方向にオフセットさせることにより、第４関節を折り畳んだ状態では、第３構造材と第５構造材とが（ｄ１＋ｄ２）分だけオフセットされることとなり、第３構造材と第５構造材とが干渉する範囲を低減することができる。これにより、基台の近傍においてのロボットの可動範囲を広くすることができる。
また、第２関節，第４関節，第６関節の各旋回軸を直立させた状態（即ち干渉領域を最小にする姿勢）としたときに周囲に張り出すオフセット量をｄ１またはｄ２にまで低減することができる。

本願発明（請求項３）によれば、第６関節までの可動領域を広く確保できる上、手先の位置が同じであっても冗長自由度によってアームの姿勢を適宜変えることができ、障害物等を回避する動作が可能となる。
本願発明（請求項４）によれば、例えば、請求項３の構成では、第５関節（Ｒ軸）の回転軸と第７関節（Ｔ軸）の回転軸とが同一となるとき、ロボットの制御上の特異点となる。請求項４では第７関節が第７構造材を旋回させる旋回軸として構成されることにより、かかる特異点の存在をなくすことができる。このため、第４関節を屈曲させた姿勢（基台の近傍に手先がある状態）にあって第５〜７関節の特異点の回避動作を考慮する必要がなくなり、ロボットの動作の自由度を向上させることができる。
このため、ロボットの設置スペースの省スペース化を図るための、ロボットを壁掛け設置（基台を壁部に設置）や天吊設置（基台を天井に設置）のように多方向設置にて使用する際に、請求項３のアーム構成では、ロボットアームの回転軸上にフランジの回転軸中心が重なる特異点を通過する姿勢があり、この特異点を回避しながらロボットの動作内容の教示を行なう必要があったが、かかる作業を省略することができるという利点がある。

本願発明（請求項５）によれば、第３構造材と第５構造材との干渉範囲が低減された結果、第４関節をより大きく屈曲させることが可能となるが、第３関節から第５関節にかけて配索されるケーブルは、第３関節と第４関節とのオフセット箇所、第４関節と第５関節との２段階で屈曲することとなるため、第４関節の屈曲角度と比較してケーブルを緩やかな曲率で追従し、第４関節の大きな屈曲に起因するケーブルへのダメージを低減させることができる。

本願発明（請求項６）によれば、例えば、機械製品の組立て用途等、胴体の近傍において一対のロボットを協業させる動作を行なう際の動作範囲を大きくすることができ、より省スペース化を図ることができる。
本願発明（請求項７）によれば、旋回関節の回転軸と基台とがオフセットしている分、各ロボットの手先をより遠くまで到達させることができる上、胴体本体の下部のスペースを利用して作業を行なうことができ、より省スペース化を図ることができる。

本発明の第１実施形態にかかるロボットの構成を示す側面図である。 本発明の第１実施形態にかかるロボットの構成を示す側面図である。 本発明の第２実施形態にかかるロボットの構成を示す側面図である。 本発明の第３実施形態にかかるロボットシステムの構成を示す側面図である。 本発明の第３実施形態にかかるロボットシステムの構成及び可動範囲を示す上面図である。

［第１実施形態］
（全体構成）
以下、第１実施形態について図を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態にかかるロボットシステム１００は、７軸垂直多関節型のロボット１と、ロボットコントローラ２と、ロボット１とロボットコントローラ２とを連結するケーブル３とからなっている。
ロボットコントローラ２は、記憶装置，電子演算器及び入力装置（いずれも図示省略）を有するコンピュータにより構成されており、ロボット１の後述するアクチュエータとケーブル３により接続されている。ケーブル３は、ロボットコントローラ２とアクチュエータとの信号通信ラインと図示しない電源から各アクチュエータに電力を供給する給電ラインとが束ねられ被覆されている。

ロボット１は、設置面（床や天井等）１０１に固定された基台１０と、基台１０からロボット１の先端にかけて順々にアーム構造材（第１構造材）１１，アーム構造材（第２構造材）１２，アーム構造材（第３構造材）１３，アーム構造材（第４構造材）１４，アーム構造材（第５構造材）１５，アーム構造材（第６構造材）１６，フランジ（第７構造材）１７が回転関節（第１〜７関節）を介して連結されている。

より詳細に説明すると、基台１０とアーム構造材１１とは、第１アクチュエータ（第１関節）１１Ａを介して連結されており、第１アクチュエータ１１Ａの駆動により、アーム構造材１１が回転するようになっている。アーム構造材１１とアーム構造材１２とは、第２アクチュエータ（第２関節）１２Ａを介して連結されており、第２アクチュエータ１２Ａの駆動により、アーム構造材１２が旋回するようになっている。
アーム構造材１２とアーム構造材１３とは、第３アクチュエータ（第３関節）１３Ａを介して連結されており、第３アクチュエータ１３Ａの駆動により、アーム構造材１３が回転するようになっている。アーム構造材１３とアーム構造材１４とは、第４アクチュエータ（第４関節）１４Ａを介して連結されており、第４アクチュエータ１４Ａの駆動により、アーム構造材１４が旋回するようになっている。

アーム構造材１４とアーム構造材１５とは、第５アクチュエータ（第５関節）１５Ａを介して連結されており、第５アクチュエータ１５Ａの駆動により、アーム構造材１５が回転するようになっている。アーム構造材１５とアーム構造材１６とは、第６アクチュエータ（第６関節）１６Ａを介して連結されており、第６アクチュエータ１６Ａの駆動により、アーム構造材１６が旋回するようになっている。
アーム構造材１６とフランジ１７とは、第７アクチュエータ（第７関節）１７Ａを介して連結されており、第７アクチュエータ１７Ａの駆動により、フランジ１７及びフランジ１７に取り付けられるハンド等のエンドエフェクタ（図示しない）が旋回するようになっている。

また、図１に示すように、アーム構造材１３は、第３アクチュエータ１３Ａを収納する収納部２０Ａと、収納部２０Ａから図中向かって右斜め上方に延びる連通部２０Ｂと、第４アクチュエータ１４Ａを収納する収納部２０Ｃとからなり、収納部２０Ａ，収納部２０Ｃ及び連通部（オフセット箇所）２０Ｂはそれぞれ連続した内部空間を形成している。
また、アーム構造材１４は、第４アクチュエータ１４Ａを収納する収納部２１Ａと、収納部２１Ａから図中向かって左斜め上方に延びる連通部２１Ｂと、第５アクチュエータ１５Ａを収納する収納部２１Ｃとからなり、収納部２１Ａ，収納部２１Ｃ及び連通部（オフセット箇所）２１Ｂはそれぞれ連続した内部空間を形成している。
なお、第１〜７アクチュエータ１１Ａ〜１７Ａはそれぞれケーブル３を挿通可能な中空部を有する減速機一体型のサーボモータによって構成されており、それぞれケーブル３を介してロボットコントローラ２に接続されている。

各回転軸Ａ１，Ａ３，Ａ５（回転方向の回転軸という）がいずれも設置面１０１に対して垂直な方向となるロボット１の姿勢とした場合（図１の状態）、各回転軸Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ７（旋回方向の回転軸）はそれぞれ回転方向の回転軸に対して９０度の角度をなすようになっている。また、回転軸Ａ６と回転軸Ａ７とはさらに互いに９０度の角度をなるように構成されている。
第１アクチュエータ１１Ａの回転軸Ａ１と第３アクチュエータ１３Ａの回転軸Ａ３とは略同一となるようになっている。また、回転軸Ａ１及び回転軸Ａ３は第２アクチュエータ１２Ａの回転軸Ａ２と直交するように配設されている。

そして、回転軸Ａ１及び回転軸Ａ３と第４アクチュエータ１４Ａの回転軸Ａ４とは、交わることがなく、設置面１０１と水平な方向（回転軸Ａ３を基準にすると図中右方向）に長さｄ１だけオフセットしている。
また、回転軸Ａ４と第５アクチュエータ１５Ａの回転軸Ａ５とは交わることがなく、設置面１００と水平な方向（回転軸Ａ４を基準にすると図中右方向）に長さｄ２だけオフセットしている。
したがって、回転軸Ａ３と回転軸Ａ５とは設置面１００と水平な方向（回転軸Ａ３を基準にすると図中右方向）に長さ｜ｄ１−ｄ２｜だけオフセットすることとなる。
なお、本実施形態では長さｄ１は長さｄ２よりも大きく（即ち、ｄ１＞ｄ２）設定されている。また、アーム構造材１３の幅寸法はアーム構造材１５の幅寸法よりも大きくなっている。

また、基台１０には図示省略のケーブル導入孔が設けられており、図２に示すようにケーブル３は、基台１０の内部から第１アクチュエータ１１Ａの中空孔，アーム構造材１１，第２アクチュエータ１２Ａの中空孔，アーム構造材１２，第３アクチュエータ１３Ａの中空孔，収納部２０Ａ，連結部２０Ｂ，収納部２０Ｃ，第４アクチュエータ１４Ａの中空孔，収納部２１Ａ，連結部２１Ｂ，収納部２１Ｃ，第５アクチュエータ１５Ａの中空孔，アーム構造材１５，第６アクチュエータ１６Ａの中空孔，アーム構造材１６，第７アクチュエータ１７Ａの中空孔を経てフランジ１７に設けられた中空孔から図示しないエンドエフェクタに連結されるように配索されている。

本実施形態にかかるロボットシステム１００はこのように構成されているので、基台１あるいはアーム構造体１１の近傍にフランジ１７を位置させて作業する場合、図２に示すように、第４アクチュータ１４Ａを大きく回転させた状態では、回転軸Ａ３と回転軸Ａ５とが長さｄ１に加えて長さｄ２分（即ち、ｄ１＋ｄ２分）だけオフセットすることとなり、回転軸Ａ３と回転軸Ａ５とのオフセット量が大きくなる。このため、第４アクチュータ１４Ａを揺動させて回転軸Ａ３と回転軸Ａ５とが略平行となるような姿勢をとってもアーム構造材１３とアーム構造材１５とが接触あるいは干渉することを防止することができ、フランジ１７をより下方且つアーム構造材１１の近傍まで到達させることができる。

一方、ロボットシステム１００の待機時には、図１に示すように、回転軸Ａ１，回転軸Ａ３及び回転軸Ａ５がいずれも設置面１００に対して垂直となるようにロボット１を動作させることで、ロボット１の設置面１００と水平な方向への張り出しを最小にすることができる。この際、回転軸Ａ１及び回転軸Ａ３と回転軸Ａ４とのオフセット量は長さｄ１に抑えられる。

即ち、第４アクチュエータ１４Ａを屈曲させた状態では、ｄ１＋ｄ２分のオフセット量を得ることができることに加えて、待機時にはオフセット量をｄ１（ｄ１＜ｄ１＋ｄ２）とすることができ、オフセットによりフランジ１７の可動領域を大きく確保しながらも省スペース化を図ることができる。

また、ケーブル３が第３アクチュエータ１３Ａの中空孔から連結部２０Ｂで緩やかに屈曲された後、第４アクチュエータ１４Ａの中空孔を経てさらに連結部２１Ｂで緩やかに屈曲されてから第５アクチュエータ１５Ａの中空孔へと導かれているので、第４アクチュエータ１４Ａを大きく揺動させてアーム構造材１３とアーム構造材１４とのなす角度がより鋭角になった場合でも、ケーブル３の曲率は比較的緩やかに抑えられるので、ケーブル３の曲率が大きくなることに起因するケーブル３へのダメージを低減することができる。

また、本実施形態では、第５アクチュエータ１５Ａがアーム構造材１５を回転させるとともに、第６アクチュエータ１６Ａがアーム構造材１６を旋回させ、さらに第７アクチュエータ１７Ａがフランジ１７をアーム構造材１６の揺動方向とは９０度の角度をなして揺動させるように構成されているので、仮に、第７アクチュエータ１７Ａがフランジ１７を回転させる構成としたときに、回転軸Ａ５と回転軸Ａ７とが重なることにより生じる制御不能点（特異点）の存在をなくすことができる。このため、第４アクチュエータ１４Ａを屈曲させた姿勢（図２状態）にあって特異点を回避する動作を考慮する必要がなくなり、ロボット１の動作の自由度を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図３に示すように、本実施形態にかかるロボットシステム２００は、第７アクチュエータ２７Ａ及びフランジ２７の取り付け方向のみが第１実施形態のものを異なっている。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、同様のものについては同符号を用いて説明する。
本実施形態では、アーム構造材１６とフランジ２７とは、第７アクチュエータ（第７関節）２７Ａを介して連結されており、第７アクチュエータ１７Ａの駆動により、フランジ２７及びフランジ２７に取り付けられるハンド等のエンドエフェクタ（図示しない）が回転するようになっている。

本実施形態にかかるロボットシステム２００はこのように構成されているので、第１実施形態のものと比較して、第４アクチュエータ１４Ａを屈曲させた姿勢において生じる特異点を回避する必要はあるものの、第７アクチュエータ２７Ａを駆動させるだけでフランジ２７に取り付けられたエンドエフェクタを容易に回転させることができるので、エンドエフェクタを回転させる用途に適している。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図４及び図５に示すように、第１実施形態で説明したロボット１を共通の基台となる胴体に一対（２個）取り付けて構成されている点が第１実施形態のものを異なっている。従って、以下では、第１実施形態と重複する説明を適宜省略し、同様のものについては同符号を用いて説明する。
本実施形態にかかるロボットシステム３００は、設置面１０１に固定された胴体３０１に、ロボット１が２本取り付けられて構成されている。
胴体３０１は、設置面１０１に固設されたベース部３０１Ａとアクチュエータ３０１Ｃを介してベース部３０１Ａに対して旋回する旋回胴部（胴体本体）３０１Ｂとを有して構成されている。

旋回胴部３０１Ｂは、アクチュエータ３０１Ｃから斜め上方（図５中右上方向）に延び、ロボット１を一対取付け可能な開口部を有している。
アクチュエータ３０１Ｃの回転軸Ａｂとロボット１の回転軸Ａ１とは、設置面１００と水平な方向（回転軸Ａｂを基準にすると図５中右方向）に長さｄ３だけオフセットしている。

本実施形態ではロボット１がそれぞれの第１アクチュエータ１１Ａの回転軸Ａ１が同一直線状に並ぶように旋回胴部３０１Ｂに配設されている（なお、ロボット１の配向は適宜変更可能である）。即ち、旋回胴部３０１Ｂが一対のロボット１それぞれの基台を兼ねている。また、ロボットコントローラ３０２と各ロボット１とはケーブル３０３を介して接続されており、ロボットコントローラ３０２からの指令によって各ロボット１のアクチュエータが動作するように構成されている。

本実施形態にかかるロボットシステム３００はこのように構成されているので、機械製品の組立て用途等、胴体の近傍において一対のロボット１を協業させる動作を行なう際の動作範囲を大きくすることができ、より省スペース化を図ることができる。
また、旋回胴部３０１Ｂが斜め上方に延び一対のロボット１が取り付けられているので、回転軸Ａｂと回転軸Ａ１とがオフセットしている分、アクチュエータ３０１Ｃを回転させることによって、各ロボット１のフランジ１７をより遠くまで到達させることができる。
また、ベース部３０１Ａの近傍で旋回胴部３０１Ｂの下部に生じるスペースにまで、各ロボット１の手先を到達させることができるので、旋回胴部３０１Ｂの下部のスペースを利用して作業を行なうことができ、より省スペース化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明にかかる搬送システムは上述の実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して適用可能である。
例えば、第３実施形態では、胴体に第１実施形態にかかるロボットを取り付けた例について説明したが、胴体に取り付けるロボットは第２実施形態のものとしてもよい。
また、上述の実施形態では、いずれも関節を７個有するロボットを例に説明したがロボットが備える関節は３個でもよい。例えば、第１実施形態の第３〜５アクチュエータ及び１３〜１５以外の構成を省略してロボットを構成してもよい。

１ ロボット
２，３０２ ロボットコントローラ
３，３０３ ケーブル
１０ 基台
１１〜１６ アーム構造材
１１Ａ〜１７Ａ，２７Ａ アクチュエータ（第１〜７アクチュエータ）
１７，２７ フランジ
２０Ａ，２０Ｃ，２１Ａ，２１Ｃ 収納部
２０Ｂ，２１Ｂ 連結部
１００，２００，３００ ロボットシステム
１０１ 設置面
３０１ 胴体
３０１Ａ ベース部
３０１Ｂ 旋回胴部
３０１Ｃ アクチュエータ
Ａ１〜Ａ７，Ａｂ 回転軸

Claims (7)

1. 基台と、複数の関節により連結された複数の構造材からなるアームと、を有するロボットであって、
   前記アームは、
   ある関節の回転軸と次の関節の回転軸との位置が所定方向にオフセットされるとともに、
   前記次の関節の回転軸と次々の関節の回転軸との位置が前記所定方向とは反対方向にオフセットされたオフセット部を有している
   ことを特徴とする、ロボット。
2. 基台と、
   前記基台に対して第１構造材を回転させる第１関節と、
   前記第1構造材に対して第２構造材を旋回させる第２関節と、
   前記第２構造材に対して第３構造材を回転させる第３関節と、
   前記第３構造材に対して第４構造材を旋回させる第４関節と、
   前記第４構造材に対して第５構造材を回転させる第５関節と、
   前記第５構造材に対して第６構造材を旋回させる第６関節と、を有し、
   前記第３関節の回転軸と前記第４関節の回転軸との位置が所定方向に長さｄ１だけオフセットされるとともに、前記第４関節の回転軸と前記第５関節の回転軸との位置が前記所定方向の反対方向に長さｄ２だけオフセットされてなる
   ことを特徴とする、ロボット。
3. 前記第６構造材と第７構造材とを回転させる第７関節を有している
   ことを特徴とする、請求項２記載のロボット。
4. 前記第６関節の回転軸と直交する回転軸周りに回転動作し、前記第６構造材に対して第７構造材を旋回させる第７関節を有している
   ことを特徴とする、請求項２記載のロボット。
5. 少なくとも前記第３関節から前記第４関節を経て前記第５関節にかけてケーブルが配索されている
   ことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載のロボット。
6. 胴体を有し、
   前記胴体に請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボットが一対取り付けられている
   ことを特徴とする、ロボットシステム。
7. 前記一対のロボットは、それぞれ前記胴体に左右対称となるように設置され、
   前記胴体は、
   設置面に固定されるベース材と、
   前記ベース材に対して旋回可能な旋回関節を介して連結された胴体本体と、を有し、
   前記旋回関節の回転軸と前記ロボットの基台の位置がオフセットされている
   ことを特徴とする、請求項６記載のロボットシステム。
   

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