JP2013056387A - 作業用ロボットおよび加工設備 - Google Patents

Abstract

【課題】作業者に対する影響をより容易に低減することができる作業用ロボットおよび加工設備を提供すること。
【解決手段】作業用ロボットは、アーム部と、複数のモータとを備える。アーム部は、複数のアーム部材を備える。複数のモータは、それぞれ複数のアーム部材を駆動する。そして、複数のアーム部材をそれぞれ駆動するモータの定格出力は、互いに同一である。
【選択図】図２

Description

本発明は、作業用ロボットおよび加工設備に関する。

従来、生産工場等の作業現場において、作業用ロボットが広く用いられている。かかる作業用ロボットを設置する作業現場では、作業用ロボットの周りに作業用ロボットの可動範囲から十分に距離を離して安全防護柵を設置することで、作業用ロボットと作業者との接触を防止し、作業者に対する影響を低減することが一般的である。

しかし、近年、安全防護柵を用いず、人と共存、協調して共同作業を行う作業用ロボットが注目されてきている。かかる作業用ロボットは、例えば、作業者が不得手な作業を補助することで効率的な作業環境を提供する（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−１２０１３９号公報

しかし、人と共存、協調して共同作業を行う人共存型の作業用ロボットでは、作業者に対する影響やその大きさなどを考慮する必要があり、容易に設計することができない。そのため、現状では、限られた作業に対して人共存型の作業用ロボットが提供されているに過ぎない。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、作業者に対する影響をより容易に低減することができる作業用ロボットおよび加工設備を提供することを目的とする。

本願の開示する作業用ロボットは、一つの態様において、複数のアーム部材を有するアーム部と、前記複数のアーム部材をそれぞれ駆動する複数のモータとを備え、前記各モータの定格出力が同一であることを特徴とする。

本願の開示する作業用ロボットの一つの態様によれば、各駆動軸の定格出力を安全性が確認された大きさに設定することにより、容易に作業者に対する影響を低減することができるという効果を奏する。

図１は、実施例にかかる加工設備の概略構成を模式的に示す図である。 図２は、作業用ロボットの構成を示す図である。

以下に、本願の開示する作業用ロボットおよび加工設備の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本実施例にかかる加工設備の概略構成を模式的に示す図である。なお、以下においては、加工設備に含まれる作業用ロボットとして、自動車などの車両（被加工物の一例）の組み立てを補助するロボットを一例として説明するが、これに限定されるものではなく、様々な作業に適用することができる。また、以下においては、Ｘ軸の正方向を前方とし、Ｙ軸の正方向を右方向とし、Ｚ軸の正方向を上方とする。

図１に示すように、本実施例にかかる加工設備は、被加工物の一例である車両５に対して作業者４が加工作業を行う作業スペース１と、作業スペース１の上方に配設される支持部材である天井２と、作業用ロボット１０とを備える。

作業用ロボット１０は、その先端に作業用ロボット１０により搬送される被搬送物であるワークＷを保持する保持機構６が取り付けられており、かかる保持機構６の位置を移動させることで、保持機構６に保持されたワークＷを作業者４が車両５に容易に組み付け可能としている。なお、被搬送物であるワークＷは、例えば車両５用のシートアッシや車両５に搭載するスペアタイヤなどである。また、保持機構６は、例えば、被搬送物を保持または保持解除し得る公知の機構が適用可能である。

作業用ロボット１０は、ベース部１１と、昇降リンク機構１２と、アーム部１３とを備える。かかる作業用ロボット１０は、後述の第１〜第４モータの駆動によって、アーム部１３を昇降し、さらに、アーム部１３の姿勢を変えることによって、保持機構６を所望の位置および姿勢に移動させる。

作業スペース１上方の天井２の裏側には、天井２に沿って走行レール７が敷設されており、作業用ロボット１０は、ベース部１１の下部に設けられた走行装置５０によって、天井２に沿って前後方向に移動可能となっている。昇降リンク機構１２およびアーム部１３はベース部１１によって支持されているため、ベース部１１が走行レール７上を移動することによって、アーム部１３の先端に取り付けられた保持機構６の位置を前後方向に移動させることができる。

作業用ロボット１０は、制御装置３０によって制御される。制御装置３０には、予め作業用ロボット１０への制御指令の内容が記憶されており、かかる記憶内容に基づいて、作業用ロボット１０が制御される。

例えば、作業者４による車両５の組み立て作業が行われない場合、制御装置３０は、作業用ロボット１０が初期位置になるように制御する。具体的には、制御装置３０は、走行装置５０を駆動して作業用ロボット１０を最後方に移動させると共に、昇降リンク機構１２を駆動してアーム部１３を上方へ引き上げる。さらに、制御装置３０は、アーム部１３を駆動して、アーム部１３を予め規定された姿勢にすることで、作業用ロボット１０を初期位置にする。

また、作業者４による車両５の組み立て作業が行われる場合、制御装置３０は、走行装置５０を駆動して作業用ロボット１０を前方に移動させると共に、昇降リンク機構１２を駆動してアーム部１３を下方へ移動させる。さらに、制御装置３０は、アーム部１３を駆動して、アーム部１３を所望の姿勢にすることで、作業者４が車両５の組み立てを行う場所に保持機構６を位置させる。このように作業者４の作業位置に保持機構６を位置させることができることから、作業者４は、保持機構６に保持されたワークの位置や姿勢を調えながらワークＷを容易に車両５に組み付けることができる。

次に、昇降リンク機構１２およびアーム部１３の具体的構成について説明する。図２は、作業用ロボット１０の構成を示す図である。作業用ロボット１０は、上述したように、ベース部１１と、昇降リンク機構１２と、アーム部１３とを備え、アーム部１３の先端に保持機構６が取り付けられる。アーム部１３は、第１アーム部材１４と、第２アーム部材１５と、第３アーム部材１６と、第４アーム部材１７とを備えており、かかるアーム部１３の姿勢を変化させることで、保持機構６の位置および姿勢を変化させることができる。

ベース部１１には、第１モータ２１と、第１モータ２１の出力を減速する第１減速機３１とを備える。第１モータ２１を駆動することで、第１モータ２１の回転が第１減速機３１を介して昇降リンク機構１２に伝わり、昇降リンク機構１２による昇降が行われる。昇降リンク機構１２は、ベース部１１とアーム部１３の基端とを連結し、アーム部１３を昇降移動させる。かかる昇降リンク機構１２は、第１アーム部材１４の基端部に連結され、第１アーム部材１４をその姿勢を維持したまま昇降させるリンク機構である。

具体的には、昇降リンク機構１２は、第１リンク部材１２ａと第２リンク部材１２ｂを備える。第１リンク部材１２ａの基端部は、ベース部１１によって水平な軸Ｏ１周りに回転可能に支持される。また、第１リンク部材１２ａの先端部は、第１アーム部材１４の基端上部を回転可能に支持する。

一方、第２リンク部材１２ｂの基端部は、ベース部１１によって軸Ｏ１と平行な水平軸周りに回転可能に支持される。また、第２リンク部材１２ｂの先端部は、第１アーム部材１４の基端下部を回転可能に支持する。

そして、第１モータ２１によって第１リンク部材１２ａが軸Ｏ１周りに回転することによって、第１アーム部材１４の基端部が昇降する。このとき、第２リンク部材１２ｂによって、第１アーム部材１４の姿勢が一定に保たれる。

また、作業用ロボット１０には、昇降リンク機構１２によるアーム部１３の昇降移動を容易にするためにエアバランサ１８が取り付けられる。エアバランサ１８は、ベース部１１と昇降リンク機構１２との間に取り付けられ、アーム部１３の自重にその可搬重量の半分を加えた重量に相当する引張力を昇降リンク機構１２に加える。

このようにエアバランサ１８を設けることにより、エアバランサ１８を設けていない場合に比べ、第１モータ２１の負荷を半分に抑えることができる。例えば、アーム部１３の重量が１００ｋｇであり、可搬重量が６０ｋｇであるとすると、第１モータ２１の最大負荷を３０ｋｇとすることができる。なお、エアバランサ１８に代えて、カウンタウェイトやその他のバランサを用いるようにしてもよい。

第１アーム部材１４は、基端部が昇降リンク機構１２の先端部に連結され、先端部が下方に延伸する。第１アーム部材１４の先端部には、第２アーム部材１５の基端部が重力方向と平行な軸Ｏ２周りに回転可能に支持される。第１アーム部材１４の先端部には、第２モータ２２と、第２モータ２２の出力を減速する第２減速機３２が内蔵されており、第２モータ２２を駆動することで、第２モータ２２の回転が第２減速機３２を介して第２アーム部材１５の基端部に伝わる。これにより、第２アーム部材１５の基端部が軸Ｏ２を中心に回転する。

第２アーム部材１５は、基端部から前方に延伸する水平アーム部材１５ａと、水平アーム部材１５ａの先端部に連結され、下方に延伸する鉛直アーム部材１５ｂとを備える。鉛直アーム部材１５ｂの先端部、すなわち、第２アーム部材１５の先端部には、第３アーム部材１６の基端部が重力方向と平行な軸Ｏ３周りに回転可能に連結されて支持される。

鉛直アーム部材１５ｂの先端部には、第３モータ２３と、第３モータ２３の出力を減速する第３減速機３３が内蔵されており、第３モータ２３を駆動することで、第３モータ２３の回転が第３減速機３３を介して第３アーム部材１６の基端部に伝わる。これにより、第３アーム部材１６の基端部が軸Ｏ３を中心に回転する。

第３アーム部材１６の先端部には、第４アーム部材１７の基端部が水平な軸Ｏ４周りに回転可能に連結されて支持される。第３アーム部材１６の先端部には、第４モータ２４と、第４モータ２４の出力を減速する第４減速機３４が内蔵されており、第４モータ２４を駆動することで、第４モータ２４の回転が第４減速機３４を介して第４アーム部材１７の基端部に伝わる。これにより、第４アーム部材１７の基端部が軸Ｏ４を中心に回転する。第４アーム部材１７には、保持機構６が取り付けられており、第４アーム部材１７の回転によって保持機構６が軸Ｏ４周りに回転する。

なお、モータ２１〜２４および減速機３１〜３４は、図２に示す配置に限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、第２アーム部材１５内に第２モータ２２および第２減速機３２を収納するようにしてもよく、第３アーム部材１６内に第３モータ２３および第３減速機３３を収納するようにしてもよい。

本実施例の作業用ロボット１０では、モータ２１〜２４の定格出力が低く抑えられる。具体的には、モータ２１〜２４の定格出力を、作業者４に対する影響が少ない定格出力とし、かつ、各モータ２１〜２４の定格出力を同一の定格出力とする。

このように、各モータ２１〜２４の定格出力を同一とすることで、作業者４に対して安全上影響が十分に小さい範囲で、作業用ロボット１０の駆動性能を効果的に向上させることができる。そのため、作業者４と共存、協調して共同作業を行う人共存型の作業用ロボットとしての提供が容易になる。

例えば、各モータ２１〜２４の定格出力を同一の８０Ｗとすることによって、作業用ロボット１０と作業者４との接触があった場合に、作業者４に対する影響を低減することができる。なお、各モータ２１〜２４の定格出力は厳密な意味で同一である必要は無く、例えば、±５〜１０％程度の範囲内であれば、定格出力は同一と言える。

制御装置３０（図１参照）は、複数のモータ２１〜２４のうち同時に駆動するモータを一つとしており、これにより、アーム部１３に取り付けられた保持機構６の位置（以下、ツールセンターポイントと記載する）での最大動力を低く抑えることができる。例えば、各モータ２１〜２４の定格出力を同一の８０Ｗとした場合、ツールセンターポイントでの最大動力は８０Ｗとなり、これにより、作業者４に対する影響を低減することができる。

なお、ここでは、各モータ２１〜２４の定格出力として８０Ｗを一例に挙げて説明したが、８０Ｗに限定されるものではない。例えば、ロボットの規格などによって、作業者４に対して影響があると想定される定格出力の範囲が規定されているような場合、各モータ２１〜２４の定格出力を、規格などに規定された定格出力の範囲よりも低い定格出力としてもよい。

ところで、定格出力（Ｗ）は、定格回転数（ｒｐｍ）と定格トルク（Ｎ・ｍ）とによって求められる値である。そこで、各モータ２１〜２４は、その定格出力を同一としつつも、定格回転数や定格トルクを変えることで、各軸Ｏ１〜Ｏ４に応じた適切な仕様になるようにしており、これにより、作業用ロボット１０の性能を向上させている。

例えば、第１モータ２１は、昇降リンク機構１２を駆動するモータであり、昇降リンク機構１２の昇降速度は速いほうが望ましい。一方、昇降リンク機構１２による昇降動作に必要なトルクは、エアバランサ１８によって抑えられていることから、第１モータ２１の定格トルクは低くできる。そこで、第１モータ２１として、定格回転数が相対的に大きく、定格トルクが相対的に小さい回転数優先のモータが用いられる。

また、第２アーム部材１５は、第２アーム部材１５を駆動するモータである。第２モータ２２が駆動する第２アーム部材１５は、水平方向に延伸する部分が長いため、第２モータ２２による軸Ｏ２周りの駆動量に対して、第２アーム部材１５の先端の移動量が大きい。そこで、第２モータ２２として、定格回転数が相対的に小さく、定格トルクが相対的に大きいトルク優先のモータが用いられる。第２モータ２２は、全モータ２１〜２４の中で定格トルクが最も大きい。

また、第３モータ２３および第４モータ２４は、第３アーム部材１６および第４アーム部材１７をそれぞれ駆動するモータであり、ここでは、回転速度およびトルクのいずれか一方に偏るものとはしない。そのため、第３モータ２３および第４モータ２４は、定格回転数および定格トルクがそれぞれ相対的に中間にある。すなわち、第３モータ２３および第４モータ２４の定格回転数は、第１モータ２１の定格回転数と第２モータ２２の定格回転数の間にある。また、第３モータ２３および第４モータ２４の定格トルクは、第２モータ２２の定格トルクよりも小さく設定される。一般にモータや減速機は、入力トルクないし出力トルクが小さいほうが、寸法（型番）が小さくなる。このため、第３モータ２３および第４モータ２４ないし第３および第４減速機３３，３４は、第２モータ２２および第２減速機３２よりも小型で軽量なものを用いることができる。その結果、第２モータ２２よりも先端側の荷重を抑えることができ、小さい出力でも作業用ロボット１０を実用的な時間で動作させることができる。さらに、第３モータ２３および第４モータ２４の寸法を抑えることで、例えばワークＷを車体の内部に搬送するなどするときに、車両と作業用ロボット１０との干渉（接触）領域を減らして作業の自由度が向上するという利点もある。

このように、本実施例にかかる作業用ロボット１０は、第１〜第４アーム部材１４〜１７と、第１〜第４アーム部材１４〜１７をそれぞれ駆動する複数のモータ２１〜２４とを備え、各モータ２１〜２４の定格出力を同一としている。

各モータ２１〜２４の定格出力を同一とすることで、作業者４に対する影響が少ない範囲で、作業用ロボット１０の駆動性能を効果的に向上させることができる。また、各モータ２１〜２４の定格回転数や定格トルクを各軸Ｏ１〜Ｏ４に対して適切な値に設定することで、作業用ロボット１０の駆動性能を効果的に向上させることができる。

なお、上述した作業用ロボット１０では、モータ２１〜２４の出力をそれぞれ減速機３１〜３４によって減速して第１〜第４アーム部材１４〜１７へ伝える。このように減速機３１〜３４を用いることで、各軸Ｏ１〜Ｏ４に対する回転数とトルクの調整を容易に行うことができる。なお、モータ２１〜２４の出力を第１〜第４アーム部材１４〜１７へ直接伝えるようにしてもよい。

また、作業用ロボット１０を設計する際、各モータ２１〜２４は、各軸Ｏ１〜Ｏ４に応じた適切な定格回転数や定格トルクに設定されるが、設定される定格回転数や定格トルクに応じたモータが存在しない場合も多い。このような場合、設定される定格回転数や定格トルクに応じたモータを個別に設計および製造することになる。

定格回転数や定格トルクは、回転子の特性や固定子の特性によって決定されることから、回転子および固定子を個別に設計および製造すると、設計コストや製造コストを押し上げてしまうことになる。

そこで、他の既存モータの一部を変更して所望の定格出力にすることで設計コストや製造コストの増加を抑制してもよい。具体的には、固定子コアに固定子巻線を取り付けた固定子と、固定子の内周側に対向配置される回転子とを備える既存のモータのうち、例えば、定格トルクが所望の定格トルクと一致し、かつ、定格回転数が所望の定格回転数よりも大きいモータを選択する。

そして、選択したモータのうち固定子巻線を変更することで、定格回転数を所望の定格回転数に一致させる。固定子巻線の変更は、例えば、固定子巻線を形成する導線の線径を小さくしたり、固定子巻線の巻線数を増やすことにより、固定子巻線の抵抗値を増加させることによって行う。固定子巻線の抵抗値を増加させることで、固定子巻線に流れる電流が低下し、これにより定格回転数を減少させることができる。

このように、既存のモータの固定子巻線を変更することによって所望の定格出力を有するモータを提供することができるため、新規にモータを設計および製造する場合に比べ、モータのコストを低減することができる。

なお、上述した作業用ロボット１０において、作業者４がアーム部１３に接触する可能性のある範囲内に入ったことを検出するセンサを取り付けるようにしてもよい。そして、作業者４が検出範囲内に入ったことをセンサによって検出した場合、制御装置３０は、昇降リンク機構１２、アーム部１３および走行装置の駆動を中止する。これにより、作業者４に対する影響をさらに防止することができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細及び代表的な実施例に限定されるものではない。従って、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１０ 作業用ロボット
１１ ベース部
１２ 昇降リンク機構
１３ アーム部
１４〜１７ アーム部材
１８ エアバランサ
２１〜２４ モータ
３１〜３４ 減速機
Ｏ１〜Ｏ４ 軸

Claims (8)

1. 複数のアーム部材を有するアーム部と、
   前記複数のアーム部材をそれぞれ駆動する複数のモータと
   を備え、
   前記各モータの定格出力が同一であることを特徴とする作業用ロボット。
2. 前記複数のモータには、
   定格回転数が相対的に大きく、定格トルクが相対的に小さい回転数優先のモータと、
   定格回転数が相対的に小さく、定格トルクが相対的に大きいトルク優先のモータと
   が含まれることを特徴とする請求項１に記載の作業用ロボット。
3. ベース部と、
   前記ベース部と前記アーム部の基端とを連結し、前記アーム部を昇降移動させる昇降リンク機構と、
   前記昇降リンク機構を動作させるモータと、
   前記昇降リンク機構によるアーム部の昇降を補助するバランサと
   をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の作業用ロボット。
4. 前記アーム部は、
   前記昇降リンク機構に連結され、下方に延伸する第１アーム部材と、
   前記第１アーム部材の先端に回転可能に連結され、水平方向に延伸する第２アーム部材と、を有し、
   前記複数のモータのうち、
   前記第２アーム部材を回転させるモータは、前記定格トルクが最も大きいことを特徴とする請求項３に記載の作業用ロボット。
5. 前記アーム部は、
   前記第２アーム部材に回転可能に連結され下方に延伸する第３アーム部材と、
   前記第３アーム部材の先端に回転可能に連結され、水平方向に延伸する第４アーム部材と、
   前記第３アーム部材を重力方向と平行な軸周りに回転させるモータと、
   前記第４アーム部材を水平な軸周りに回転させるモータと
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の作業用ロボット。
6. 前記第４アーム部材には、被搬送物を保持する保持機構が設けられることを特徴とする請求項５記載の作業用ロボット。
7. 前記複数のモータの出力軸には当該モータの出力を減速して前記複数のアーム部材にそれぞれ伝える減速機が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の作業用ロボット。
8. 作業者および被加工物が存在する作業スペースと、
   前記作業スペースの上方に配設される支持部材と、
   前記支持部材に設けられ前記支持部材に沿って走行する走行装置と、
   前記走行装置に取り付けられたベース部と、
   前記ベース部に連結される昇降リンク機構と、
   前記昇降リンク機構に連結されて昇降移動されるアーム部と、
   前記昇降リンク機構および前記アーム部をそれぞれ駆動する複数のモータと
   を備え、
   前記各モータの定格出力が同一であることを特徴とする加工設備。

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