JP2014176918A - ロボットシステム、クレーンツール及び搬送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産ラインの省スペース化を図ることができるロボットシステム、クレーンツール及び搬送方法を提供する。
【解決手段】ロボットシステム１は、基部１１と、複数の腕部１２，１３と、基部１１に対して複数の腕部１２，１３を直列に繋ぎ、先端側に隣接する腕部１２，１３をそれぞれ揺動させる複数の関節１５，１６とを有するロボットアーム１０Ａと、ロボットアーム１０Ａに搬送作業を行わせるためのクレーンツール４０とを備える。クレーンツール４０は、腕部１３に装着されてワークＷを吊るフック部４２と、前腕部１３を搖動させる関節１６を、フック部４２との間に挟むように位置するカウンターウェイト部４３と、フック部４２とカウンターウェイト部４３とを繋ぐ連結部４１とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットシステム、ロボットシステム用のクレーンツール及びロボットシステムを用いた搬送方法に関する。

従来、様々な製品の生産ラインにおいてロボットシステムが用いられている。例えば、特許文献１には、溶接作業を行うロボットアームを備えたロボットシステムが開示されている。ロボットアームは、基部と、複数の腕部と、手首部と、基部に対して複数の腕部及び手首部を直列に繋ぎ、先端側に隣接する腕部又は手首部をそれぞれ揺動させる複数の関節とを有する。手首部には溶接トーチが取り付けられる。

特開２００３−２００３７６号公報

上述したロボットシステムを用いた生産ラインでは、ロボットアームの作業エリアに対してワークの搬入・搬出を行う必要がある。しかしながら、溶接等、搬送以外の作業を行うためのロボットアームが搬送可能なワークの重量には限りがある。このため、ワークの搬入・搬出は、ロボットアームとは別に設けられたクレーン等の搬送装置により行われる場合が多い。この場合、ロボットアームの設置スペースに加え、搬送装置の設置スペースをも確保する必要があり、生産ラインの占有スペースが大きくなる。建屋の規模が小さい場合には、スペース上の制約により生産ラインを構築できないおそれもある。

そこで本発明は、生産ラインの省スペース化を図ることができるロボットシステム、クレーンツール及び搬送方法を提供することを目的とする。

本発明に係るロボットシステムは、基部と、複数の腕部と、基部に対して複数の腕部を直列に繋ぎ、先端側に隣接する腕部をそれぞれ揺動させる複数の関節とを有するロボットアームと、ロボットアームに搬送作業を行わせるためのクレーンツールとを備え、クレーンツールは、腕部に装着されてワークを吊るフック部と、腕部を搖動させる関節を、フック部との間に挟むように位置するカウンターウェイト部と、フック部とカウンターウェイト部とを繋ぐ連結部とを有する。

本発明によれば、生産ラインの省スペース化を図ることができる。

第１実施形態に係るロボットシステムの概略構成を示す側面図である。 ロボットアームがフック部を下降させた状態を示す側面図である。 フック部にワイヤを掛けた状態を示す側面図である。 ロボットシステムによりワークを搬送している状態を示す側面図である。 第２実施形態に係るロボットシステムのロボットアーム及びクレーンツールを示す側面図である。 図２中のロボットアームにクレーンツールを装着した状態を示す側面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１に示すように、ロボットシステム１は、２本のロボットアーム１０Ａ，１０Ｂと、２台のロボットコントローラ２０Ａ，２０Ｂと、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）３０と、クレーンツール４０と、把持ツール５０とを備える。

ロボットアーム１０Ａ，１０Ｂのそれぞれは、基部１１と、３本の腕部１２，１３，１４と、基部１１に対して腕部１２，１３，１４を直列に連結する３個の関節１５，１６，１７とを有する。基部１１は、床面に設置される基台１１ａと、基台１１ａの上に設けられた旋回台１１ｂとを有する。基台１１ａは、鉛直な軸（Ｓ軸）Ａ１まわりに旋回台１１ｂを旋回させるアクチュエータを内蔵している。

関節（Ｌ軸関節）１５は、腕部（下腕部）１２と旋回台１１ｂの上部とを連結する。Ｌ軸関節１５は、水平な軸（Ｌ軸）Ａ２まわりに下腕部１２を揺動させるアクチュエータを内蔵している。すなわち、Ｌ軸関節１５は先端側に隣接する腕部１２を揺動させる。関節（Ｕ軸関節）１６は、腕部（前腕部）１３と下腕部１２とを連結する。Ｕ軸関節１６は、Ｌ軸Ａ２に平行な軸（Ｕ軸）Ａ３まわりに前腕部１３を搖動させるアクチュエータを内蔵している。すなわち、Ｕ軸関節１６は先端側に隣接する腕部１３を揺動させる。関節（Ｂ軸関節）１７は、腕部（手首部）１４と前腕部１３とを連結する。Ｂ軸関節１７は、前腕部１３の中心軸Ａ４に直交する軸（Ｂ軸）Ａ５まわりに手首部１４を搖動させるアクチュエータを内蔵している。

前腕部１３は、直列に連なる前腕リンク１３ａ，１３ｂを有する。Ｕ軸関節１６側の第１前腕リンク１３ａは、Ｂ軸関節１７側の第２前腕リンク１３ｂを前腕部１３の中心軸（Ｒ軸）Ａ４まわりに旋回させるアクチュエータを内蔵している。手首部１４は、Ｂ軸関節１７に連結された手首リンク１４ａと、手首リンク１４ａの先端側に連結された装着フランジ１４ｂとを有する。手首リンク１４ａは、装着フランジ１４ｂを手首部１４の中心軸（Ｔ軸）Ａ６まわりに旋回させるアクチュエータを内蔵している。装着フランジ１４ｂには、ロボットアーム１０Ａ，１０Ｂに所望の作業を行わせるための種々のツールＴが取り付けられる。

上記各アクチュエータは、例えばモータ、減速器及び角度センサ等により構成されている。２台のロボットコントローラ２０Ａ，２０Ｂは、２本のロボットアーム１０Ａ，１０Ｂにそれぞれ接続されており、上記各アクチュエータを制御する。ロボットコントローラ２０Ａ，２０Ｂは、それぞれＰＬＣ３０に接続されている。ＰＬＣ３０は、ロボットコントローラ２０Ａ，２０Ｂを介してロボットアーム１０Ａ，１０Ｂを制御し、例えばワークの組み立て、接合及び搬送等、様々な作業を実行させる。

クレーンツール４０は、ロボットアーム１０Ａに搬送作業を行わせるためのツールであり、ツール本体４１と、ワークを吊るためのフック部４２と、カウンターウェイト部４３とを有する。

ツール本体４１は、前腕部１３への装着部４１ａと、フック部４２及びカウンターウェイト部４３を装着部に連結する継手部４１ｂとを有する。装着部４１ａは、前腕部１３の第１前腕リンク１３ａの外周に着脱自在に取り付けられる。装着部４１ａが第１前腕リンク１３ａに取り付けられた状態で、継手部４１ｂは前腕部１３の中心軸Ａ４に沿って延在し、前腕部１３が横たわると前腕部１３の上に位置する。以下、前腕部１３が横たわり、継手部４１ｂが前腕部１３の上に位置する状態を基準にして説明を進める。

フック部４２は、上に開いたＵ形状を呈し、継手部４１ｂの一端部の上に固定されている。すなわち、フック部４２は、根元側から２本目の腕部である前腕部１３にツール本体４１を介して装着される。フック部４２は、中心軸Ａ４に沿う方向でＵ軸関節１６とＢ軸関節１７との間に位置する。

カウンターウェイト部４３は、継手部４１ｂの他端部に固定されている。すなわち、継手部４１ｂは、フック部４２とカウンターウェイト部４３とを繋ぐ連結部Ｊ１である。カウンターウェイト部４３は、中心軸Ａ４に沿う方向においてフック部４２との間にＵ軸関節１６を挟むように位置する。すなわち、カウンターウェイト部４３は、水平方向においてフック部４２との間にＵ軸関節１６を挟むように位置する。このため、カウンターウェイト部４３は、搬送対象のワークの重さによりＵ軸Ａ３まわりに発生するモーメントに抗するモーメントを発生し、Ｕ軸Ａ３まわりに発生するモーメントを軽減する。カウンターウェイト部４３の重さは、Ｕ軸Ａ３まわりに発生するモーメントが、Ｕ軸関節１６のアクチュエータの許容範囲内となるように設定されている。

把持ツール５０は、搬送対象のワークを把持可能な既存のロボットハンドであり、ロボットアーム１０Ｂの装着フランジ１４ｂに取り付けられる。把持ツール５０は、ロボットアーム１０Ｂと共に、ＰＬＣ３０によって制御される。

続いて、ロボットシステム１を用いたワークの搬送方法について説明する。まず、図１に示すように、ロボットアーム１０Ａにクレーンツール４０を装着し、ロボットアーム１０Ｂに把持ツール５０を装着する。

次に、ＰＬＣ３０によりロボットアーム１０Ａを制御し、図２に示すようにフック部４２を上に向けた状態で下降させる。具体的に、前腕部１３が横たわり、フック部４２が上に向いた状態を保つようにＵ軸関節１６のアクチュエータを駆動しながら、Ｌ軸関節１５のアクチュエータを駆動して下腕部１２を横たわらせる。この状態で、図３に示すように、搬送用のワイヤＲをフック部４２に掛け、ワイヤＲの下端部をワークＷに接続する。

次に、ＰＬＣ３０によりロボットアーム１０Ａを制御し、図４に示すようにフック部４２を上に向けた状態で上昇させる。具体的に、前腕部１３が横たわり、フック部４２が上に向いた状態を保つようにＵ軸関節１６のアクチュエータを駆動しながら、Ｌ軸関節１５のアクチュエータを駆動して下腕部１２を起立させる。これにより、フック部４２に掛かったワイヤを介してワークＷが吊り上げられる。この状態で、ＰＬＣ３０によりロボットアーム１０Ｂ及び把持ツール５０を制御し、ワークＷの一部を把持ツール５０によって把持させる。

次に、ＰＬＣ３０によりロボットアーム１０Ａ，１０Ｂを同時に制御し、フック部４２と把持ツール５０とを同一の方向に移動させる。例えば、ロボットアーム１０Ａの旋回台１１ｂを旋回させることで、Ｓ軸Ａ１を中心とする円周に沿ってフック部４２を移動させると共に、把持ツール５０をフック部４２に追従させるようにロボットアーム１０Ｂを制御する。

ワークＷが所望の位置に達すると、ＰＬＣ３０により把持ツール５０を制御してワークＷを解放させ、ＰＬＣ３０によりロボットアーム１０Ｂを制御して把持ツール５０をワークＷの近傍から退避させる。

次に、ＰＬＣ３０によりロボットアーム１０Ａを制御して、フック部４２を下降させ、ワークＷを床面に接地させる（図３参照）。具体的に、前腕部１３が横たわり、フック部４２が上に向いた状態を保つようにＵ軸関節１６のアクチュエータを駆動しながら、Ｌ軸関節１５のアクチュエータを駆動して下腕部１２を寝かせる。この状態で、ワイヤＲの下端部をワークＷから取り外し、ワイヤＲをフック部４２上から取り除く（図２参照）。以上によりワークＷの搬送が完了する。

なお、搬送作業の手順は上述した順序に限られない。例えば、クレーンツール４０をロボットアーム１０Ａに装着した後にフック部４２を下降させるのに代えて、下腕部１２を横たわらせて前腕部１３を下降させた後にクレーンツール４０を装着してもよい。ワイヤＲを、ワークＷに接続した後にフック部４２上に掛けてもよいし、フック部４２上から取り除いた後にワークＷから取り外してもよい。ワークＷを水平方向に搬送するときのみでなく、上昇又は下降させるときにも、把持ツール５０にワークＷを把持させ、把持ツール５０をフック部４２に追従させてよい。

以上に説明したロボットシステム１では、前腕部１３に装着されたフック部４２にワークＷを吊り下げることができる。このとき、前腕部１３を搖動させるＵ軸関節１６には、ワークＷの重さによるモーメントが作用する。これに対し、水平方向においてフック部４２との間にＵ軸関節１６を挟むように位置するカウンターウェイト部４３が設けられている。カウンターウェイト部４３は、ワークＷの重さによるモーメントに抗するモーメントを発生し、Ｕ軸関節１６に作用するモーメントを軽減する。これにより、ワークＷの搬送作業を想定して設計されていないＵ軸関節１６のアクチュエータを、ワークＷの搬送に適応させることが可能となる。

ワークＷの重さによるモーメントは、前腕部１３より根元側の腕部１２を揺動させるＬ軸関節１５にも作用する。Ｌ軸関節１５のアクチュエータは、Ｕ軸関節１６のアクチュエータに比べ、多くの腕部のイナーシャに適応するように設計されている。このため、アクチュエータの出力には余裕があるので、Ｌ軸関節１５のアクチュエータもワークＷの搬送に適応させることが可能である。

従って、フック部４２にワークＷを吊り下げた状態でＬ軸関節１５及びＵ軸関節１６を駆動し、ワークＷを搬送できる。このようにロボットアーム１０Ａを搬送作業に適用できるので、搬送専用の装置を設ける必要がなく、生産ラインの省スペース化を図ることができる。

また、ロボットシステム１は２本のロボットアーム１０Ａ，１０Ｂを備え、一方のロボットアーム１０Ａにはクレーンツール４０が装着され、他方のロボットアーム１０Ｂには把持ツール５０が装着される。これにより、一方のロボットアーム１０Ａのフック部４２にワークＷを吊り下げると共に、他方のロボットアーム１０Ｂの把持ツール５０にワークＷを把持させた状態で、２本のロボットアーム１０Ａ，１０Ｂによりフック部４２及び把持ツール５０を同一の方向に移動させることで、安定した姿勢でワークＷを搬送できる。

［第２実施形態］
第２実施形態は、クレーンツールを装着するときに、ロボットアームの一部分を取り外し可能とした点で第１実施形態と異なる。図５に示すように、第２実施形態に係るロボットシステムのロボットアーム６０Ａは、ロボットアーム１０Ａの前腕部１３の根元部に分割部Ｐ１を設けたものである。これによりロボットアーム１０Ａは、分割部Ｐ１において、根元側の第１アーム６０ａと先端側の第２アーム６０ｂとに分離可能となっている。分割部Ｐ１は、第１前腕リンク１３ａに設けられており、第２前腕リンク１３ｂを旋回させるアクチュエータは分割部Ｐ１より先端側に配置されている。

第１アーム６０ａの先端部には、例えば既存のオートツールチェンジャー（ＡＴＣ）６１が設けられており、第２アーム６０ｂの基端部には、ＡＴＣ６１により保持可能なアダプタ６２が設けられている。ＡＴＣ６１がアダプタ６２を保持することにより、第１アーム６０ａと第２アーム６０ｂとが連結される。

クレーンツール７０は、ツール本体４１に代えてツール本体７１を有しており、図６に示すように、第２アーム６０ｂが第１アーム６０ａから取り外された状態で第１アーム６０ａに連結される。ツール本体７１は、ＡＴＣ６１により保持可能なアダプタ７１ａと、継手部７１ｂ，７１ｃとを有する。

アダプタ７１ａがＡＴＣ６１に保持された状態で、継手部７１ｂ，７１ｃは前腕部１３の中心軸Ａ４に沿って延在する。継手部７１ｂは、アダプタ７１ａからＵ軸関節１６の逆側に突出しており、その端部の上にフック部４２が固定されている。すなわち、フック部４２は、根元側から２本目の腕部である前腕部１３にツール本体７１を介して装着される。フック部４２は、中心軸Ａ４に沿う方向でＵ軸関節１６より先端側に位置する。

継手部７１ｃは、アダプタ７１ａからＵ軸関節１６側に突出しており、その端部にカウンターウェイト部４３が固定されている。すなわち、アダプタ７１ａ及び継手部７１ｂ，７１ｃは、フック部４２とカウンターウェイト部４３とを繋ぐ連結部Ｊ２を構成する。カウンターウェイト部４３は、中心軸Ａ４に沿う方向においてフック部４２との間にＵ軸関節１６を挟むように位置する。すなわち、カウンターウェイト部４３は、水平方向においてフック部４２との間にＵ軸関節１６を挟むように位置する。

第２実施形態のロボットシステムによれば、搬送作業中におけるロボットアーム６０Ａの自重を軽減し、Ｕ軸関節１６及びＬ軸関節１５のアクチュエータの負担をより軽減できる。また、第１アーム６０ａの先端部にはＡＴＣ６１が設けられ、第２アーム６０ｂ及びクレーンツール７０にはＡＴＣ６１により保持可能なアダプタ６２，７１ａがそれぞれ設けられているため、第２アーム６０ｂとクレーンツール７０との交換を自動化できる。これにより、ロボットシステムによるワークＷの搬送作業と、搬送以外の作業との移行を自動化できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。クレーンツール７０が装着される腕部は前腕部１３に限られず、例えば下腕部１２又は手首部１４にクレーンツール７０を装着してもよい。本発明は、１体の胴部に２本のロボットアームが取り付けられた双腕型のロボット装置を備えるロボットシステムにも適用可能である。

１…ロボットシステム、１０Ａ，１０Ｂ，６０Ａ…ロボットアーム、１１…基部、１２，１３…腕部、１３…前腕部、１５，１６，１７…関節、４０，７０…クレーンツール、４２…フック部、４３…カウンターウェイト部、５０…把持ツール、Ｊ１，Ｊ２…連結部、Ｐ１…分割部、Ｗ…ワーク。

Claims (6)

1. 基部と、複数の腕部と、前記基部に対して前記複数の腕部を直列に繋ぎ、先端側に隣接する前記腕部をそれぞれ揺動させる複数の関節とを有するロボットアームと、
   前記ロボットアームに搬送作業を行わせるためのクレーンツールと、を備え、
   前記クレーンツールは、
   前記腕部に装着されてワークを吊るフック部と、
   前記腕部を搖動させる前記関節を、前記フック部との間に挟むように位置するカウンターウェイト部と、
   前記フック部と前記カウンターウェイト部とを繋ぐ連結部と、を有するロボットシステム。
2. ２本の前記ロボットアームを備えると共に、前記ロボットアームに前記ワークを把持させるための把持ツールを更に備え、
   前記クレーンツールは一方の前記ロボットアームに装着され、前記把持ツールは他方の前記ロボットアームに装着される、請求項１記載のロボットシステム。
3. 前記フック部が装着される前記腕部には、前記ロボットアームを２つの部分に分ける分割部が設けられており、
   前記クレーンツールを前記ロボットアームに装着するときに、前記ロボットアームのうち分割部より先端側の部分を取り外し可能となっている、請求項１又は２記載のロボットシステム。
4. 基部と、複数の腕部と、前記基部に対して前記複数の腕部を直列に繋ぎ、先端側に隣接する前記腕部をそれぞれ揺動させる複数の関節とを有するロボットアームに搬送作業を行わせるためのツールであって、
   前記腕部に装着されてワークを吊るフック部と、
   前記腕部を搖動させる前記関節を、前記フック部との間に挟むように位置するカウンターウェイト部と、
   前記フック部と前記カウンターウェイト部とを繋ぐ連結部と、を有するクレーンツール。
5. 請求項１〜３のいずれか一項記載の前記ロボットシステムを用い、
   前記ロボットアームに前記クレーンツールを装着し、
   前記フック部に前記ワークを吊り下げ、前記ロボットアームにより前記フック部を移動させる搬送方法。
6. 請求項２記載の前記ロボットシステムを用い、
   一方の前記ロボットアームに前記クレーンツールを装着し、
   他方の前記ロボットアームに前記把持ツールを装着し、
   前記フック部に前記ワークを吊り下げると共に、前記把持ツールに前記ワークを把持させ、
   ２本の前記ロボットアームにより前記フック部と前記把持ツールとを同一の方向に移動させる搬送方法。

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