JP2015071202A - 工業用ロボットの緩衝装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ティーチング時にエラーが頻発するのを回避することができる工業用ロボットの緩衝装置を提供する。【解決手段】ロボットアーム１と加工ヘッド２の間に、衝撃による過荷重が作用したときに衝撃を吸収すると同時にロボットアーム１の動作停止信号を出力する過荷重検知装置１０とは別に、過荷重検知装置１０が作動する過荷重よりも小さい過荷重でロボットアーム１と加工ヘッド２の剛結合を解除して衝撃を吸収するエアダンパ２０Ａを含む補助衝撃緩和装置２０が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットアームの先端とツール（工具、ハンド、加工ヘッド等）との間に取り付けられ、例えば、溶接作業のティーチングにあたってツールがワーク等に衝突した際に、その衝撃を吸収すると同時にロボットアームの動作を停止させることができる工業用ロボットの緩衝装置に関するものである。

例えば、溶接ロボットにおいては、ロボットアームの先端に加工ヘッド（溶接ヘッド）を取り付け、加工ヘッドを種々の位置や姿勢に制御しながら溶接を行っている。実際の溶接の前には、ロボットに動作を学習させるためのティーチングを行うが、その際、加工ヘッド（ツール）をワーク等にぶつけることがある。加工ヘッドをぶつけると、加工ヘッドとロボットアームの間に過荷重が作用するので、加工ヘッドやロボットアームを損傷するおそれがある。

そこで通常は、ロボットアームの先端と加工ヘッドとの間に、衝突等により所定以上の過荷重がロボットアームと加工ヘッドとの間に作用した際に、その衝撃を吸収すると同時にロボットの動作を停止させる緩衝装置を取り付けている。

従来、そのような働きをなす緩衝装置として、例えば、特許文献１に記載の過荷重検知装置（過荷重検知器）が知られている。この過荷重検知装置は、空気圧で作動する衝突センサであり、概略的に述べると、ツールをエアチャンバの空気圧で高剛性に保持し、過荷重が発生した際に瞬時に空気圧の排出によりツールをフリーにして保護し、同時に停止信号をロボットコントローラに送ってロボットアームを停止させるというものである。

以下に、図３から図７を参照して、特許文献１に記載された過荷重検知装置の構成及び作用について説明する。

図３は過荷重検知装置の外観斜視図、図４は作動前の状態を示す断面図、図５は一部の部品を取り外した平面図、図６は作動時の状態を示す断面図、図７はその要部の拡大断面図である。

図３に示すように、特許文献１に記載の過荷重検知装置１１０は、ロボットアーム１０４の先端の取付面板１０２と、ツール１０６（グリッパや溶接ヘッド等）との間に取り付けられている。

過荷重検知装置１１０には、ホース１０７を通して与圧流体（圧縮エア）が供給されており、通常は、過荷重検知装置１１０が取付面板１０２とツール１０６とを剛結合している。そして、ツール１０６がワーク等に衝突したりして、取付面板１０２とツール１０６との間に過荷重が生じた際に、過荷重検知装置１１０が前記剛結合を解除することで、ツール１０６とロボットアーム１０４の取付面板１０２との間に相対運動を生じさせて、ツール１０６やロボットアーム１０４の損傷を最小限に抑える。それと同時に、過荷重検知装置１１０がケーブル１０８を通してロボットコントローラにロボットアーム１０４の動作停止信号を送出し、ロボットアーム１０４を停止させる。

過荷重検知装置１１０は、圧縮荷重ＦＺ、回転トルクＦＲ、チッピング・モーメントＦＴ、水平荷重ＦＬなどの力に起因して複数の方向において生じる過荷重（過負荷）を感知し、同時に同じ方向に降伏することができるようになっている。
図４に示すように、この過荷重検知装置１１０は、リング状の端壁１１２及び円筒状の周壁１１３を有するハウジング１１１と、ハウジング１１１の端壁１１２と反対側の開口を塞ぐことでハウジング１１１内にエアチャンバ１１４を形成する端面板１１５と、ハウジング１１１内に収容され、エアチャンバ１１４内に空気圧が導入されることで、ハウジング１１１の端壁１１２の封止面１１７に密着して、これによりエアチャンバ１１４内を密封状態に保つ封止板１１６と、この封止板１１６に結合されて、ハウジング１１１の端壁１１２の開口から外部に突出したステム１１８と、このステム１１８に固定具１２６により結合された取付ブラケット１２５と、ステム１１８の外周に配置され、ハウジング１１１の端壁１１２の開口とステム１１８との隙間からの空気の逃げを阻害せずに同隙間を通してのゴミ等のエアチャンバ１１４内への浸入を防止する通気性弾性部材１２７と、封止板１１６に形成された円錐状凹部１２０と、ハウジング１１１の端壁１１２にねじ込まれて、半球状先端部を円錐状凹部１２０に挿入しており、封止板１１６に対してハウジング１１１が回転したり横方向に変位したりしたときに、半球状先端部が円錐状凹部１２０の斜面を乗り上げることで、ハウジング１１１の封止面１１７に対する封止板１１６の密着を解くネジ１１９と、エアチャンバ１１４内の空気圧が所定以下に減じた際にロボットコントローラ（図示せず）にロボットアーム１０４の動作停止信号を送出する感知センサ１０３と、を備えている。

なお、ネジ１１９及び円錐状凹部１２０は、図５に示すように、円周方向に約１８０度離間して２個設けられている。また、端面板１１５とステム１１８との間には、封止板１１６を封止面１１７に対して押し付ける方向に付勢するバネ１３０が介装されている。

そして、図３に示すように、取付ブラケット１２５を取付面板１０２に固定し、端面板１１５をツール１０６に固定することで、過荷重検知装置１１０が、ロボットアーム１０４とツール１０６との間に介在されている。

この過荷重検知装置１１０は次のように動作する。

通常時は、エアチャンバ１１４内に所定の空気圧が導入されることにより、封止板１１６が封止面１１７に密着しており、エアチャンバ１１４内の空気圧が、封止板１１６をハウジング１１１に予圧を持って押し付けている。これにより、端面板１１５と一体化されたハウジング１１１と、取付ブラケット１２５と一体化された封止板１１６とが剛結合状態となる。

この状態でティーチングを実行中に、ツール１０６がワーク等にぶつかって、ツール１０６とロボットアーム１０４との間にモーメント型の過荷重状態が生じた場合は、図６及び図７に示すように、ハウジング１１１がステム１１８に対して傾動し、傾動によってハウジング１１１の封止面１１７と封止板１１６との間に隙間が発生し、その隙間を通してエアチャンバ１１４内の空気が大気に逃げる。また、トルク型あるいは水平荷重型の過荷重状態が生じた場合は、トルクあるいは水平荷重の作用によって、ネジ１１９の半球状先端部が円錐状凹部１２０の斜面上に乗り上げ、それに応じてハウジング１１１の封止面１１７と封止板１１６との間に隙間が発生し、その隙間を通してエアチャンバ１１４内の空気が大気に逃げる。

これにより、ハウジング１１１と封止板１１６の剛結合状態が解除されて、ハウジング１１１に結合された端面板１１５と封止板１１６に結合された取付ブラケット１２５とが自由に動けるようになり、ロボットアーム１０４とツール１０６の相対運動が許容されて、衝突による衝撃が吸収される。これと同時に、感知センサ１０３がエアチャンバ１１４内の減圧を感知し、ロボットコントローラにロボットアームの停止信号を送出し、それによりロボットアームが停止する。

特開平５−４１９０号公報

ところで、前記特許文献１に記載された従来例では、過荷重検知装置１１０だけを緩衝装置としてロボットに組み込んでいるので、ティーチング時にツール１０６がワークなどにちょっとぶつかるだけで、直ぐにエラーが出てロボットが強制停止されてしまい、エラーが頻発することがあった。

本発明は、上記事情を考慮し、例えばティーチング時にツールがワーク等にちょっとぶつかった場合でも、エラーが頻発するのを回避することができ、ティーチング作業の容易化を図ることができる工業用ロボットの緩衝装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、ロボットアームと、該ロボットアームの先端部に取り付けられるツールとの間に、前記ロボットアームの先端部と前記ツールとを常時剛結合する共に、前記ロボットアームの先端部と前記ツールとの間に衝撃による過荷重が作用したときに、前記剛結合を解除することで前記衝撃を吸収すると同時に、前記ロボットアームの動作を停止する信号を出力する過荷重検知装置が設けられた工業用ロボットの緩衝装置において、前記ロボットアームの先端部と前記ツールとの間に、前記過荷重検知装置とは別に、前記ロボットアームの先端部と前記ツールとを常時剛結合する共に、前記ロボットアームの先端部と前記ツールとの間に衝撃による過荷重が作用したときに、前記過荷重検知装置が作動する過荷重よりも小さい過荷重で前記剛結合を解除して前記衝撃を吸収する補助衝撃緩和装置が設けられていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の工業用ロボットの緩衝装置であって、前記補助衝撃緩和装置が、前記ロボットアームの先端部側に係合される第１部材と、前記ツール側に係合される第２部材と、前記第１部材と第２部材のうちの一方に設けられたピストンと、前記第１部材と第２部材のうちの他方に設けられ、前記ピストンを摺動自在に収容すると共に、前記ピストンとの間に空圧室を形成することで、前記ピストンと共にエアダンパを構成するシリンダと、を備えており、前記シリンダの空圧室に導入された一定以上の空気圧によって前記ピストンが摺動限位置に所定の予圧を持って押し付けられることで、前記第１部材と第２部材とを前記予圧によって常時剛結合すると共に、前記第１部材と第２部材との間に前記予圧を超える過荷重が作用した際に、前記ピストンがシリンダ内で変位することで前記衝撃を吸収することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の工業用ロボットの緩衝装置であって、前記ピストンがリング状に形成され、前記シリンダが環状凹部として形成され、前記環状凹部よりなるシリンダの内部に前記リング状のピストンが摺動自在に嵌まることで、前記エアダンパが構成されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の工業用ロボットの緩衝装置であって、前記ピストンとシリンダの摺動面であるピストン内周側摺動面とピストン外周側摺動面に、前記ピストンとシリンダの摺動面間に確保された微小隙間をシールする弾力性を有したＯリングが装填されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、衝撃による過荷重が加わったときにロボットを停止させる過荷重検知装置とは別に、過荷重検知装置よりも小さな過荷重で作動する補助衝撃緩和装置を設けているので、小さな衝突のたびに頻繁にロボットが強制停止する事態を回避することができ、衝撃による損傷を防ぎながらスムーズなティーチングを行うことが容易にできる。

請求項２の発明によれば、補助衝撃緩和装置がエアダンパを含むので、導入する空気圧によって容易に過荷重が作用した際の補助衝撃緩和装置の作動点（限界点）を設定することができる。

請求項３の発明によれば、環状凹部よりなるシリンダの内部にリング状のピストンが摺動自在に嵌まることでエアダンパが構成されているので、バランスよく衝撃吸収を行うことができる。

請求項４の発明によれば、ピストンとシリンダの摺動面間の微小隙間ぶんだけ、ピストンがシリンダに対して傾動することができ、衝撃が作用した際の傾動方向の変位をＯリングの弾力性によって吸収することができる。

本発明の実施形態としての溶接ロボットの先端部構成を示す一部を断面とした正面図である。 図１の要部の拡大断面図である。 従来の緩衝装置である過荷重検知装置の外観斜視図である。 同過荷重検知装置の作動前の状態を示す断面図である。 同過荷重検知装置の一部の部品を取り外した平面図である。 同過荷重検知装置の作動時の状態を示す断面図である。 図６の要部の拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は実施形態としての溶接ロボットの先端部構成を示す一部を断面とした正面図、図２は図１の要部の拡大断面図である。

図１に示すように、この溶接ロボット（工業用ロボット）Ａは、ロボットアーム１の先端にツールを取り付けるための取付面板３を有しており、その取付面板３に、過荷重検知装置１０及び補助衝撃緩和装置２０を介して、ツールである加工ヘッド（溶接ヘッド）２を取り付けた構成をなしている。

ここでは、ロボットアーム１の取付面板３側に補助衝撃緩和装置２０が配置され、加工ヘッド２の取付ブラケット４側に過荷重検知装置１０が配置されているが、過荷重検知装置１０と補助衝撃緩和装置２０を逆に、つまり、ロボットアーム１の取付面板３側に過荷重検知装置１０が配置され、加工ヘッド２の取付ブラケット４側に補助衝撃緩和装置２０が配置されていてもよい。

過荷重検知装置１０は、図３〜図７を用いて説明した特許文献１に記載の過荷重検知装置１１０と同等品か類似品であるので、簡単に説明すると、リング状の端壁１２及び円筒状の周壁１３を有するハウジング１１と、ハウジング１１の端壁１２と反対側の開口を塞ぐことでハウジング１１内にエアチャンバ１４を形成する端面板１５と、ハウジング１１内に収容され、エアチャンバ１４内に空気圧が導入されることで、ハウジング１１の端壁１２の封止面１７に密着して、これによりエアチャンバ１４内を密封状態に保つ封止板１６と、この封止板１６に結合されて、ハウジング１１の端壁１２の開口から外部に突出したステム１８と、このステム１８に固定具５６により結合されたブラケット部材２１（後述する補助衝撃緩和装置２０の第１部材に相当）と、ステム１８の外周に配置され、ハウジング１１の端壁１２の開口とステム１８との隙間からの空気の逃げを阻害せずに同隙間を通してのゴミ等のエアチャンバ１４内への浸入を防止する通気性弾性部材５７と、エアチャンバ１４内の空気圧が所定値以下に減じた際にロボットコントローラ（図示せず）にロボットアーム３の動作停止信号を送出する感知センサ（図示略）と、を備えている。

そして、この過荷重検知装置１０の前記端面板１５に、加工ヘッド２側の取付ブラケット４が結合されている。また、ステム１８に固定された前記ブラケット部材２１が、ロボットアーム３の取付面板３に固定されている。

また、封止板１６には円錐状凹部（図示略）が形成され、ハウジング１１の端壁１２にはネジ（図示略）がねじ込まれている。ネジは、半球状先端部を有するもので、その半球状先端部を円錐状凹部に挿入しており、封止板１６に対してハウジング１１が回転したり横方向に変位したりしたときに、ネジの半球状先端部が円錐状凹部の斜面を乗り上げることで、ハウジング１１の封止面１７に対する封止板１６の密着を解くことができるようになっている。また、端面板１５とステム１８との間には、封止板１６を封止面１７に対して押し付ける方向に付勢するバネ３０が介装されている。

この過荷重検知装置１０は、ロボットアーム１の先端部と加工ヘッド２とを常時剛結合する共に、ロボットアーム１の先端部と加工ヘッド２との間に衝撃による過荷重が作用したときに、剛結合を解除することで衝撃を吸収すると同時に、ロボットアーム１の動作を停止する信号を出力するものであり、補助衝撃緩和装置２０は、この過荷重検知装置１０とは別に、ロボットアーム１の先端部と加工ヘッド２との間に設けられている。

この補助衝撃緩和装置２０は、過荷重検知装置１０とは別に、ロボットアーム１の先端部と加工ヘッド２とを常時剛結合する共に、ロボットアーム１の先端部と加工ヘッド２との間に衝撃による過荷重が作用したときに、過荷重検知装置１０が作動する過荷重よりも小さい過荷重で剛結合を解除して衝撃を吸収するものである。

具体的には、補助衝撃緩和装置２０は、ロボットアーム１の先端の取付面板３に接合された第１部材としての前記ブラケット部材２１と、過荷重検知装置１０のハウジング１１に係合された第２部材２２と、この第２部材２２に設けられたリング状のピストン２７と、第１部材である前記ブラケット部材２１の外周壁２３に設けられ、ピストン２７を摺動自在に収容すると共に、ピストン２７との間に空圧室２４を形成することで、ピストン２７と共にエアダンパ２０Ａを構成するシリンダ２５と、を有している。なお、シリンダ２５は、リング状のピストン２７を収容できるように環状凹部として形成されている。また、シリンダ２５の開口側には、ピストン２７の脱落を防止するストッパ２８が取り付けられている。

ここで、過荷重検知装置１０の軸はロボットアーム１の取付面板３の軸に一致させてあり、ピストン２７の摺動方向は、過荷重検知装置１０の軸方向に一致させてある。また、ピストン２７とシリンダ２５の摺動面であるピストン内周側摺動面Ｓ２とピストン外周側摺動面Ｓ１に、ピストン２７とシリンダ２５の摺動面間に確保された微小隙間をシールする弾力性を有したＯリング２９が装填されている。

この補助衝撃緩和装置２０は、シリンダ２５の空圧室２４に導入された一定以上の空気圧によってピストン２７が摺動限位置（ハウジング１１に係合する位置）に所定の予圧を持って押し付けられることで、第１部材であるブラケット部材２１と第２部材２２とを予圧によって常時剛結合する。そして、ブラケット部材２１（第１部材）と第２部材２２との間に予圧を超える過荷重が作用した際に、ピストン２７がシリンダ２５内で変位することで衝撃を吸収する。ただし、過荷重検知装置１０が作動する過荷重よりも小さい過荷重で剛結合を解除して衝撃を吸収する。なお、図２中において、ピストン２７の摺動範囲をＬ１、Ｌ２で示す。

次に作用を述べる。

通常時は、補助衝撃緩和装置２０の空圧室２４内に所定の空気圧が導入されることにより、第２部材２２が過荷重検知装置１０のハウジング１１に押し付けられている。これにより、ロボットアーム１側に固定されたブラケット部材２１と加工ヘッド２側に固定されたハウジング１１とが剛結合状態となっている。

また、過荷重検知装置１０のエアチャンバ１４に別の空気圧が導入されることにより、ロボットアーム１側に接合された封止板１６が封止面１７に密着しており、エアチャンバ１４内の空気圧が、封止板１６をハウジング１１に予圧を持って押し付けている。これにより、端面板１５と一体化されたハウジング１１と、ブラケット部材２１と一体化された封止板１６とが剛結合状態となっている。

この状態でティーチングを実行中に、加工ヘッド２がワーク等にぶつかって、加工ヘッド２とロボットアーム１との間に過荷重が生じた場合は、まず、補助衝撃緩和装置２０が最初に作動する。すなわち、シリンダ２５内でピストン２７が摺動することにより、ブラケット部材２１と第２部材２２との間に作用した衝撃を吸収する。

この際、環状凹部よりなるシリンダ２５の内部にリング状のピストン２７が摺動自在に嵌まることでエアダンパ２０Ａが構成されているので、バランスよく衝撃吸収を行うことができる。また、ピストン２７とシリンダ２５の摺動面間の微小隙間ぶんだけ、ピストン２７がシリンダ２５に対して傾動することができ、衝撃が作用した際の傾動方向の変位をＯリング２９の弾力性によって吸収することができる。つまり、偏荷重が作用した際に、ピストン２７が傾動することで、衝撃による変位を吸収することができる。

そして、さらに大きな衝撃が加わったときに、前述したように過荷重検知装置１０が作動することにより、衝撃が吸収されると同時にロボットコントローラにロボットアーム１の停止信号が送出されて、ロボットアーム１が停止する。

このように、本実施形態の溶接ロボットでは、加工ヘッド２とロボットアーム１との間に、衝撃による過荷重が加わったときにロボットを停止させる過荷重検知装置１０とは別に、過荷重検知装置１０よりも小さな過荷重で作動する補助衝撃緩和装置２０が設けられているので、小さな衝突のたびに頻繁にロボットが停止する事態を回避することができ、衝撃による損傷を防ぎながら、スムーズなティーチングを行うことができる。

特に、補助衝撃緩和装置２０にはエアダンパ２０Ａが含まれているので、導入する空気圧によって容易に過荷重が作用した際の補助衝撃緩和装置２０の作動点を設定変更することができる。

なお、前記実施形態では、加工ヘッド２側に係合される第２部材２２にピストン２７が形成され、ロボットアーム１側に係合される第１部材（ブラケット部材）２１にシリンダ２５が形成された場合を示したが、ピストンとシリンダが逆に形成されていてもよい。すなわち、第２部材２２にシリンダが形成され、第１部材（ブラケット部材）２１にピストンが形成されていてもよい。

１ ロボットアーム
２ 加工ヘッド（ツール）
１０ 過荷重検知装置
２０ 補助衝撃緩和装置
２０Ａ エアダンパ
２１ ブラケット部材（第１部材）
２２ 第２部材
２４ 空圧室
２９ Ｏリング
Ｓ１ ピストン内周側摺動面
Ｓ２ ピストン外周側摺動面

Claims (4)

1. ロボットアームと、該ロボットアームの先端部に取り付けられるツールとの間に、
   前記ロボットアームの先端部と前記ツールとを常時剛結合する共に、前記ロボットアームの先端部と前記ツールとの間に衝撃による過荷重が作用したときに、前記剛結合を解除することで前記衝撃を吸収すると同時に、前記ロボットアームの動作を停止する信号を出力する過荷重検知装置が設けられた工業用ロボットの緩衝装置において、
   前記ロボットアームの先端部と前記ツールとの間に、前記過荷重検知装置とは別に、
   前記ロボットアームの先端部と前記ツールとを常時剛結合する共に、前記ロボットアームの先端部と前記ツールとの間に衝撃による過荷重が作用したときに、前記過荷重検知装置が作動する過荷重よりも小さい過荷重で前記剛結合を解除して前記衝撃を吸収する補助衝撃緩和装置が設けられていることを特徴とする工業用ロボットの緩衝装置。
2. 請求項１に記載の工業用ロボットの緩衝装置であって、
   前記補助衝撃緩和装置が、
   前記ロボットアームの先端部側に係合される第１部材と、
   前記ツール側に係合される第２部材と、
   前記第１部材と第２部材のうちの一方に設けられたピストンと、
   前記第１部材と第２部材のうちの他方に設けられ、前記ピストンを摺動自在に収容すると共に、前記ピストンとの間に空圧室を形成することで、前記ピストンと共にエアダンパを構成するシリンダと、を備えており、
   前記シリンダの空圧室に導入された一定以上の空気圧によって前記ピストンが摺動限位置に所定の予圧を持って押し付けられることで、前記第１部材と第２部材とを前記予圧によって常時剛結合すると共に、前記第１部材と第２部材との間に前記予圧を超える過荷重が作用した際に、前記ピストンがシリンダ内で変位することで前記衝撃を吸収することを特徴とする工業用ロボットの緩衝装置。
3. 請求項２に記載の工業用ロボットの緩衝装置であって、
   前記ピストンがリング状に形成され、前記シリンダが環状凹部として形成され、前記環状凹部よりなるシリンダの内部に前記リング状のピストンが摺動自在に嵌まることで、前記エアダンパが構成されていることを特徴とする工業用ロボットの緩衝装置。
4. 請求項３に記載の工業用ロボットの緩衝装置であって、
   前記ピストンとシリンダの摺動面であるピストン内周側摺動面とピストン外周側摺動面に、前記ピストンとシリンダの摺動面間に確保された微小隙間をシールする弾力性を有したＯリングが装填されていることを特徴とする工業用ロボットの緩衝装置。

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