JP3638676B2

JP3638676B2 - ベンディング用６軸垂直多関節型ロボット

Info

Publication number: JP3638676B2
Application number: JP16631095A
Authority: JP
Inventors: 敬太工藤; 貴弘小川; 隆一土田
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: JPH0911164A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はベンディング用６軸垂直多関節型ロボットに係り、さらに詳しくは、アームの長さに特徴を有するベンディング用６軸垂直多関節型ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ベンダーに用いられている一般的な６自由度多関節ロボットについて簡単に説明する。図１４に示される６自由度多関節ロボット１では、機台３に垂直に植設されている第１アーム５が設けられている。この第１アーム５の途中部分には第１回転機構ｊ1 が設けられており、垂直軸を回転軸として回転自在となっている。この第１アーム５の上端には第２旋回軸ｊ2 を介して第２アーム７が設けられており、この第２アーム７は上下方向へ旋回自在となっている。
【０００３】
第２アーム７の先端には第３旋回軸ｊ3 を介して第３アーム９が旋回自在に設けられている。この第３アーム９の途中部分には第４回転機構ｊ4 が設けられており、第３アーム９の軸を中心として回転自在となっている。
【０００４】
さらに、第３アーム９の先端には第５旋回軸ｊ5 を介して第４アーム１１が旋回自在に設けられている。この第４アーム１１の途中部分には第６回転機構ｊ6 が設けられており第４アーム１１の先端に設けられているロボットハンドであるバキュームパッド１３により把持されているワークＷを回転自在に支持している。
【０００５】
このような６自由度多関節ロボット１の設計に当たり、目標とする可搬重量，スピード，動作範囲を実現するために最適なモータや減速機を選択する。また、コストの問題で、バランサをつけたりモータの配置を工夫するなどしてより小さいモータを選択するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、図１５に示されているように、曲げ動作中バキュームパッド１３の代りに、グリッパ１５でワークＷをつかみっぱなしで軌跡に追従する場合、ロボット１は位置および姿勢の制御をしなくてはならないが、一般的な６自由度ロボット１を用いた場合、曲げ動作中に姿勢の特異点を通ることが多い。ここでいう特異点とは、第５旋回軸ｊ5 の回度が０になる。つまり、第４回転機構ｊ4 と第６回転機構ｊ6 が平行になる姿勢のことで、この近傍では姿勢の制御をするために、第４回転機構ｊ4 と第６回転機構ｊ6 の速度が過大になり、ロボット１の能力を上まわってしまう場合が多く、結果として姿勢制御ができなくなる。何故、ワークＷをはなさずに曲げたいという理由は、曲げ精度やタクトタイムアップのためである。
【０００７】
上記曲げ動作の場合、最大でもワークＷの辺を３辺曲げたら持ち替え動作を行う必要がある。持ち替えとはタクトや持ち替え精度により曲げ精度にも影響がでる。そこで持ち替え回数を減すために、ワークＷの端を持つグリッパ１５ではなく、ワークＷの中心を持ち図１４に示されているようにバキュームパッド１３にするとよい。この場合でも、ワークＷの中心から端までの長さが大きくなると、ワークＷがロボット自身とも干渉するため大きいワークＷは持てない。また、第４アーム１１の先端に第７回転機構ｊ7 を設け、その先端にパキュームパッド１３を設けた場合には、ある程度の大きさのワークＷは持てるがそれでも制限があるし、第７回転機構ｊ7 を追加するという問題がある。
【０００８】
逆に、ワークＷの中心から端までの長さが小さいワークＷを曲げたい場合には、ロボット１の手首部分すなわち第４回転機構ｊ4 〜第６回転機構ｊ6 付近がベンダーのパネルに干渉してしまう問題がある。
【０００９】
この発明の目的は、以上のような従来の技術に着目してなされたものであり、小物から大物ワークの４辺曲げに対応し、かつ曲げ動作中に特異点を通らないことにより、ワークへの追従が可能なベンディング用６軸垂直多関節型ロボットを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のベンディング用６軸垂直多関節型ロボットは、機台から上方へ植設されると共に途中部分に第１回転機構を有する第１アームと、この第１アームの上端に設けられた第２旋回軸により上下に旋回自在の第２アームと、この第２アームの先端に設けられた第３旋回軸により上下に旋回自在であると共に途中部分に第４回転機構を有する第３アームと、この第３アームの先端に設けられた第５旋回軸により上下に旋回自在であると共に、途中部分に第６回転機構を有する第４アームと、この第４アームの先端に旋回且つ回転自在に設けられたワーククランパと、を有するベンディング用６軸垂直多関節型ロボットであって、前記第２アームの長さと第３アームの長さの比が略２．５対１であると共に、第３アームを上向きの姿勢に保持し、第５旋回軸は第２旋回軸より下にあり、かつ第４アームを上向きの姿勢に制御することを特徴とするものである。
【００１２】
【作用】
本発明のベンディング用６軸垂直多関節型ロボットでは、機台に植設された第１アームが途中部分に設けられている第１回転機構により軸まわりに回転自在であり、第２アームは第１アームとの接合に用いられている第２旋回軸により第１アームに対して上下に旋回自在である。第３アームは第４回転機構により軸まわりに回転自在であると共に、第２アームとの接合に用いられている第３旋回軸により第２アームに対して上下に旋回自在である。さらに、第４アームは、第６回転機構により軸まわりに回転自在であると共に第３アームとの接合に用いられている第５旋回軸により第３アームに対して上下に旋回自在である。第４アームの先端にはワーククランパが旋回且つ回転自在に設けられているので、ベンディング用６軸垂直多関節型ロボットにより把持されたワークは６軸方向に対して移動自在である。この際、第２アームの長さと第３アームの長さを略２．５：１とし、第３アームを上向きの姿勢に保持し、かつ第５旋回軸は第２旋回軸より下にあり、かつ第４アームを上向きの姿勢に制御するので、ベンダーによる曲げ加工時における第２アームの旋回角度を小さくして第３旋回軸が下がりすぎて土台等に衝突することを防止する。
【００１４】
【実施例】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説明する。なお、前述の従来技術の欄で説明した６軸多関節ロボット１と同じ部位には同じ符号を付すと共に重複する説明は省略する。
【００１５】
図１にはこの発明に係るベンディング用６軸垂直多関節型ロボット１７が示されている。この６軸垂直多関節型ロボット１７では、第２旋回軸ｊ2 と第３旋回軸ｊ3 との間である第２アーム１９の長さＬ2 と、第３旋回軸ｊ3 と第５旋回軸ｊ5 との間である第３アーム２１の長さＬ3 との比を約２．５：１としている。また、６軸垂直多関節型ロボット１７は機台３の下端部には移動手段としての車輪２３が設けられている。
【００１６】
一方、土台２５の上には、所望の方向へガイドレール２７が敷設されており、前記車輪２３はこのガイドレール２７に沿って図１中紙面直角方向へ走行自在となっている。その他の構造は前述の従来技術の欄で説明したもの（図１４参照）と同様である。
【００１７】
本実施例では第３アーム２１を上向きの姿勢にすると共に第５旋回軸ｊ5 を第６回転機構ｊ6 より下にもっていくように制御することにより、従来の問題を解決した。
【００１８】
すなわち、６軸垂直多関節型ロボット１７は、ロボットのＴ．Ｃ．Ｐ（ツールセンタポイント）をある位置姿勢にもっていった場合、８通りのパターンがとれる。この中の１つに第３アーム２１の向きがある。図２に示されているように、同じ位置，姿勢にＴ．Ｃ．Ｐをもっていった場合、第３アーム２１の上下により２通りのパターンがある。
【００１９】
図３に示されているように、Ｌ3 の向きを上向き（第３旋回軸ｊ3 が下側にあって第３アーム９が上向き）に保持すると共に、第４アーム１１を上向きの姿勢に保持して第６旋回軸ｊ6 を第５旋回軸ｊ5 より上にもっていき、かつ第５旋回軸ｊ5 が第２旋回軸ｊ2 より下にあることにより、第６旋回軸ｊ6 でワークを回した場合、ロボット１７とワークの干渉がなくなるのである。
【００２０】
また、この姿勢で曲げ動作をした場合、第４回転機構ｊ4 と第６回転機構ｊ6 が平行になる点（特異点）が曲げ動作中に現われることがなくなると共に、４辺持ち替えなしで曲げることができる。
【００２１】
図４に基づいて、第２アーム１９の長さＬ2 と第３アーム２１の長さＬ3 との比を約２．５：１とした根拠について説明する。
【００２２】
図４（Ａ）に示されるように、Ｌ2 ＋Ｌ3 の長さを１６５０ｍｍとし、長さ２０００ｍｍのワークＷを中心位置においてクランプし、かつ第２旋回軸ｊ2 から折曲げ前のワークＷの高さＺ1 （図５参照）を４００ｍｍになるようにして、図示しないベンダーで９０度曲げ加工を行う場合を想定したものである。
【００２３】
図４（Ｂ）には、この発明に係る６軸多関節ロボット２次元モデル１７が示されており、Ｌ2 ＝１２００ｍｍ，Ｌ3 ＝４５０ｍｍ、すなわち、Ｌ2 ：Ｌ3 ＝２．６７：１の場合が示されている。この場合における加工前の点ＰＷ０に第五旋回軸ｊ5 を位置させるためには、第２アーム１９が水平となす角ΘＢは下向きに１０．１度となる。また、このとき第２アーム１９と第３アーム２１のなす角ΦＢは、１３０度となる。
【００２４】
図４（Ｃ）には、全体長さを等分にした、Ｌ2 ＝８２５ｍｍ，Ｌ3 ＝８２５ｍｍすなわち、Ｌ2 ：Ｌ3 ＝１：１の場合が示されている。この場合における加工前の点ＰＷ０に第５旋回軸ｊ5 を位置させるためには、第２アーム１９が水平となす角ΦΘは下向きに３０．８度となる。また、第２アーム１９と第３アーム２１のなす角ΦＣは、１３５．８度となる。
【００２５】
図４（Ｄ）には図４（Ｃ）の場合と同様に全体長さを等分にした、Ｌ2 ＝８２５ｍｍ，Ｌ3 ＝８２５ｍｍすなわち、Ｌ2 ：Ｌ3 ＝１：１の場合が示されている。この場合において前述の（Ｂ）の場合と同様に第２アーム１９が水平となす角を下向き１０．１度として加工前の位置ＰＷ０を設定すると、第３旋回軸ｊ3 において第２アーム１９と第３アーム２１を直線状に延ばしても第五旋回軸ｊ5 は加工後の点ＰＷ１に届かないことがわかる。
【００２６】
従って、図４（Ｂ），（Ｃ）では加工前点ＰＷ０および加工後点ＰＷ１は移動範囲に入っていることを示しているが、図２（Ｄ）では加工後点ＰＷ１は移動範囲にないことを示している。
【００２７】
これらの図から明らかなように、図４（Ｂ）に示される場合に第２旋回軸ｊ2 において第２アーム１９がなす角度は１０．１度であり、図４（Ｃ）に示される場合に第２旋回軸ｊ2 において第２アーム１９がなす角度は３０．８度となることから、第３アーム２１が長い場合には、第３旋回軸ｊ3 がかなり下方まで移動することがわかる。
【００２８】
さらに、第２アーム１９，第３アーム２１の長さＬ2 ，Ｌ3 の比を１．０から３．２５まで変化させて行った結果では、アームの長さの比が１：１に近い場合には、第２アーム１９と第３アーム２１の作る角度が鋭角となる姿勢しか取れず（Ｚ1 の高さ、ロボット各アームの可動範囲、床との干渉による）、ワークＷが大きいすなわち把持位置と折曲げ位置が離れている場合、最終姿勢がとれなくなる。又その比が大きすぎる場合（１３００／４００＝３．２５）には上記角度を鋭角に取れても大きなワークＷを曲げる場合にはやはり腕の長さがたりなくなって最終姿勢が取れないことがある。以上の検討結果から、アーム長さＬ2 ，Ｌ3 をそれぞれ１２００ｍｍ，４５０ｍｍと決め、そのＬ2 ：Ｌ3 を約２．５：１とすると共に、第３アーム２１を上向きに保持し、第５旋回軸ｊ5 の高さＨ1 を第２旋回軸ｊ2 の高さＨ2 より下にあるように制御するのがよい。
【００２９】
次に、実際の曲げ加工における６軸多関節ロボット１７の動きを更に詳細に検討する。前提条件としては、ワークＷの下面をクランプする場合を考える。これは、ワークＷの上面をクランプする場合にはワークＷの大きさに応じて懐の広さを要求されるため、下面からのクランプの方が有利だからである。
【００３０】
ベンダーの金型位置は高い方がロボットにとっては作業しやすいが、金型交換作業等のために、１４５０ｍｍ前後を設定した。また、ロボットが走行台車の上に乗って移動することを考えて、ロボットの到達距離すなわちアームの長さを１６００ｍｍ確保した。第２アーム１９の長さは１３００ｍｍ以下に設定した。
【００３１】
以上のような前提条件の下、図５には加工前後における６軸多関節ロボット１７の第２アーム１９および第３アーム２１の関係が示されている。図５において、Ｘ1,Ｙ1,Ｚ1 は加工前の第５旋回軸ｊ5 の位置、Ｘ2,Ｙ2,Ｚ2 は加工後の第５旋回軸ｊ5 の位置、Ｌ2 は第２アーム１９の長さ、Ｌ3 は第３アーム２１の長さ、Ｌは第２旋回軸ｊ2 から第５旋回軸ｊ5 までの距離、ｈは第５旋回軸ｊ5 からワークＷ面までの距離、Θは曲げ角度、θ1 は加工前の第２アーム１９が水平面となす角度、θ2 は加工前の第２アーム１９と第３アーム２１のなす角度、θ3 は加工前のＰ1 点のＸＹ面への投影点とＹ軸の角度、θ4 は加工後のＬのＸＹ面への投影線とＹ軸の角度、θ5 は加工後の第２アーム１９が水平面となす角度、θ6 は加工後の第２アーム１９と第３アーム２１のなす角度、Ｄは１軸中心とベンダー金型中心距離、Ｘはワーク把持中心から折曲げ中心までの長さ、を各々示す。
【００３２】
ここで、Ｚ1 が約４４０ｍｍになるようにθ1,θ2 を設定し、Θは５０度に設定する。このような条件の下、θ3,θ4,θ5,θ6 が以下に示す計算式により求まる。
【００３３】
【数１】
sin θ3 ＝（Ｄ−Ｘ）／（Ｌ2 ・cos θ1 −Ｌ3 ・cos(θ2 −θ1)）
θ3 ＝sin -1（Ｘ1 ／（Ｌ2 ・cos θ1 −Ｌ3 ・cos(θ2 −θ1)））
Ｘ1 ＝Ｄ−Ｘ、Ｙ1 ＝（Ｌ2 ・cos θ1 −Ｌ3 ・cos(θ2 −θ1)）・cos θ3 、Ｚ1 ＝Ｌ2 ・sin θ1 ＋Ｌ3 ・sin(θ2 −θ1)
Ｘ2 ＝Ｄ−（Ｘ・cos Θ＋ｈ・sin Θ）、Ｙ2 ＝Ｙ1 、Ｚ2 ＝Ｘ・sin Θ−ｈ・cos Θ＋Ｚ1 ＋ｈ、Ｌ＝√（Ｘ2 ²＋Ｙ2 ²＋Ｚ2 ²）
θ4 ＝tan -1（Ｘ2 ／Ｙ2 ）、θ5 ＝tan -1（Ｚ2 ／√（Ｘ2 ²＋Ｙ2 ²））−cos -1（（Ｌ²＋Ｌ2 ²−Ｌ3 ²）／（２・Ｌ2 ・Ｌ））、θ6 ＝cos -1（（Ｌ2 ²＋Ｌ3 ²−Ｌ²）／（２・Ｌ2 ・Ｌ3 ））
以上の式においてＬ2 およびＬ3 に種々の値を代入して計算した結果が図６〜図１３に示してある。すなわち、Ｌ2 を８５０ｍｍ，１０５０ｍｍ，１１５０ｍｍ，１２５０ｍｍ，１３００ｍｍ，Ｌ3 を４００ｍｍ，４５０ｍｍ，５５０ｍｍ，６５０ｍｍ，８５０ｍｍとしてベンダー折り曲げ線からハンド中心まで２００ｍｍ，３００ｍｍ，４００ｍｍ，５００ｍｍ，１２００ｍｍで曲げを行う場合の最大許容寸法について検討を行ったところ、Ｌ2 ＝Ｌ3 ＝８５０ｍｍではとどかないワークＷがあり、５５０ｍｍでは長すぎる。他については問題ないが最大到達距離から１２００ｍｍとして、４５０ｍｍを採用した。図６に示したものがよいことになる。これにより、Ｌ2 とＬ3 の比を約２．５：１程度とすることが適することがわかる。
【００３４】
このようなベンディング用６軸垂直多関節型ロボット１によれば、ワークＷの曲げ加工を行う場合に、加工に応じてワークＷを保持することができると共に、第２アーム１９の旋回角度を小さくし、第３アーム２１が下がりすぎて地面に衝突することを防止できる。
【００３５】
なお、この発明は、前述した実施例に限定されることなく、適宜な変更を行なうことにより、その他の態様で実施し得るものである。すなわち、前述の実施例における寸法は、ベンダーの金型位置，ワークＷの大きさ，曲げ角度等により適正な値を設定することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるベンディング用６軸垂直多関節型ロボットでは、機台に植設された第１アームが途中部分に設けられている第１回転機構により回転自在であり、第２アームは第１アームとの接合に用いられている第２旋回軸により第１アームに対して上下に旋回自在である。第３アームは第２アームとの接合に用いられている第３旋回軸により第２アームに対して上下に旋回自在である。さらに、第３アームの先端に設けられた第５旋回軸により上下に旋回自在であると共に途中部分に第６回転機構を有する第４アームとこの第４アームの先端にはワーククランパが旋回且つ回転自在に設けられているので、ベンディング用６軸垂直多関節型ロボットにより把持されたワークは６軸方向に対して移動自在である。これによりワークを保持して６自由度で移動できるが、第２アームの長さと第３アームの長さを略２．５：１とし、第３アームを上向きの姿勢に保持し、第５旋回軸を第２旋回軸より下にあり、かつ第４アームを上向きの姿勢に制御するので、ベンダーによる曲げ加工時における第２アームの旋回角度を小さくし、第３旋回軸が下がりすぎて地面に衝突することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るベンディング用６軸多関節ロボットを示す構造図である。
【図２】この発明のロボットの動きを説明する説明図である。
【図３】この発明のロボットの動きを説明する説明図である。
【図４】第２アームの長さと第３アームの長さの比が異なる場合の各アームの動きを示す説明図である。
【図５】曲げ加工の前後におけるこの発明に係る第２アームおよび第３アームの動きを示す座標図である。
【図６】第２アームの長さＬ2 を８５０ｍｍ，第３アームの長さＬ3 を８５０ｍｍとし、θ1 ＋θ2 ＞９０°とした場合の計算結果を示す表である。
【図７】第２アームの長さＬ2 を１０５０ｍｍ，第３アームの長さＬ3 を６５０ｍｍとし、θ1 ＋θ2 ＞９０°とした場合の計算結果を示す表である。
【図８】第２アームの長さＬ2 を１１５０ｍｍ，第３アームの長さＬ3 を５５０ｍｍとし、θ1 ＋θ2 ＞９０°とした場合の計算結果を示す表である。
【図９】第２アームの長さＬ2 を１２５０ｍｍ，第３アームの長さＬ3 を４５０ｍｍとし、θ1 ＋θ2 ＞９０°とした場合の計算結果を示す表である。
【図１０】第２アームの長さＬ2 を１３００ｍｍ，第３アームの長さＬ3 を４００ｍｍとし、θ1 ＋θ2 ＞９０°とした場合の計算結果を示す表である。
【図１１】第２アームの長さＬ2 を８５０ｍｍ，第３アームの長さＬ3 を８５０ｍｍとし、θ1 ＋θ2 ＜９０°とした場合の計算結果を示す表である。
【図１２】第２アームの長さＬ2 を１０５０ｍｍ、第３アームの長さＬ3 を６５０ｍｍとし、θ1 ＋θ2 ＜９０°とした場合の計算結果を示す表である。
【図１３】第２アームの長さＬ2 を１１５０ｍｍ、第３アームの長さＬ3 を５５０ｍｍとし、θ1 ＋θ2 ＜９０°とした場合の計算結果を示す表である。
【図１４】従来におけるベンディング用６軸多関節ロボットの構造図である。
【図１５】従来のベンディング用６軸多関節ロボットにおける問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
３機台
５第１アーム
１３バキュームパッド（ロボットハンド）
１７６軸多関節ロボット
１９第２アーム
２１第３アーム
２３車輪（移動手段）
ｊ1 第１回転機構
ｊ2 第２旋回軸
ｊ3 第３旋回軸
ｊ4 第４回転機構

Claims

機台（３）から上方へ植設されると共に途中部分に第１回転機構（ｊ１）を有する第１アーム（５）と、この第１アーム（５）の上端に設けられた第２旋回軸（ｊ２）により上下に旋回自在の第２アーム（７）と、この第２アーム（７）の先端に設けられた第３旋回軸（ｊ３）により上下に旋回自在であると共に途中部分に第４回転機構（ｊ４）を有する第３アーム（９）と、この第３アーム（９）の先端に設けられた第５旋回軸（ｊ５）により上下に旋回自在であると共に途中部分に第６回転機構（ｊ６）を有する第４アーム（１１）と、この第４アーム（１１）の先端に旋回且つ回転自在に設けられたワーククランパ（１３）と、を有するベンディング用６軸垂直多関節型ロボットであって、
前記第２アーム（７）の長さと第３アーム（９）の長さの比が略２．５対１であると共に、第３アーム（９）を上向きの姿勢に保持し、第５旋回軸（ｊ５）は第２旋回軸（ｊ２）より下にあり、かつ第４アーム（１１）を上向きの姿勢に制御することを特徴とするベンディング用６軸垂直多関節型ロボット。