JP4268035B2 - 産業用ロボットおよびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の関節部で旋回可能な多関節の産業用ロボットに関する。
本発明において、用語「旋回」は、360度以上の角変位である回転および360度未満の角変位を含む。
工場の生産ラインなどにおいて、加工ロボットを用いてワークを加工する場合に、ワークを保持するために治具ロボットが用いられる。第1の従来の技術である治具ロボットは、手先が、相互に平行な3つのロボット軸まわりに旋回可能かつ1つのロボット軸に沿ってスライド変位可能に構成されている(たとえば特許文献1参照)。
図8は、第2の従来の技術である汎用治具1を簡略化して示す正面図である。汎用治具1は、3本の伸縮アクチュエータ3によって駆動可能に設けた上部基板4に、3軸回転ユニット5を介してクランプ6が設けられて構成される。この汎用治具1は、たとえば複数台、隣接して設置して、ワーク7を保持する(特許文献2)。
図9は、第3の従来の技術である垂直多関節ロボット10を簡略化して示す正面図である。垂直多関節ロボット10は、複数のアーム体11が、アーム体11の軸線と同軸の旋回軸を有する同軸関節12と、アーム体11の軸線に垂直な旋回軸を有する垂直関節13と、によって連結されている。この垂直多関節ロボット10もまた、複数台設置して、手先15に設けられるクランプ16で把持してワーク14を保持するために用いることができる。
図10は、第4の従来の技術である傾斜多関節ロボット20を簡略化して示す正面図である。傾斜多関節ロボット2は、複数のアーム体21が、アーム体21の軸線と同軸の旋回軸を有する同軸関節22と、アーム体21の軸線に対して傾斜する旋回軸を有する傾斜関節23と、によって連結されている。同軸関節22と傾斜関節23とは、交互に配置されている。この傾斜多関節ロボット20もまた、複数台設置して、手先25にクランプ27を設けて、ワーク28を保持するために用いることができる。
特開平8−147014号公報 特開平11−77446号公報
第1および第2の従来の技術である、治具ロボットおよび汎用治具1は、複数台を近接して設置することは可能であるが、可動範囲が小さく、また構造が複雑であるので製造コストが高くなってしまう。第3の従来の技術である垂直多関節ロボット10は、簡素な構成で、大きな可動範囲を得ることができるが、アームの中途部が側方へ大きく突出してしまうので、互いに干渉するおそれがあるので、複数台を近接して配置することができない。ここで側方は、アームの伸縮方向に垂直な方向である。
第4の従来の技術である傾斜多関節ロボット20は、簡素な構成で実現でき、垂直関節ロボット10に比べてアーム中途部の側方への突出を抑えることができるが、手先25の可動範囲S20は、アームの伸縮方向の寸法が小さく、この伸縮方向に垂直な側方へ広がる範囲である。したがって互いに干渉するおそれがあるので、複数台を近接して配置することができない。また手先25が、側方へ大きく変位すると、アームに加わるモーメントが大きくなって、たわみ易くなり、高精度な位置制御ができなくなる。さらに傾斜多関節ロボット20では、可動範囲S20を3つに分割する面26上に、特異点が存在しており、この面26を横切るように動作させようとすると、制御上エラーを生じ、動作が一時停止してしまう。
本発明の目的は、簡素な構成で、複数台を近接して設置することが可能であるとともに、大きな可動範囲であって、側方への範囲が抑えられ、かつアームの伸縮方向の範囲が大きい、可動範囲を得ることができ、さらに特異点を少なくすことができる産業用ロボットを提供することである。
本発明は、基台と、
基台から順に並んで直列に設けられる第1アーム体、第2アーム体、第3アーム体、第4アーム体、第5アーム体および第6アーム体を含むアームと、
第1アーム体を基台に旋回自在に連結する第1関節部、第2アーム体を第1アーム体に旋回自在に連結する第2関節部、第3アーム体を第2アーム体に旋回自在に連結する第3関節部、第4アーム体を第3アーム体に旋回自在に連結する第4関節部、第5アーム体を第4アーム体に旋回自在に連結する第5関節部および第6アーム体を第5アーム体に旋回自在に連結する第6関節部を含み、第1関節部が、第1アーム体の軸線と同じ向きの第1軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第2関節部が、第2アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第2軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第3関節部が、第2軸と同じ向きの第3軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第4関節部が、第4軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第4軸は第3アーム体の軸線を含む平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第3軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第4軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第3軸と前記第3アーム体の軸線との交点と、前記第4軸と前記第3アーム体の軸線との交点間を2等分する位置で前記第3アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第5関節部が、第4軸と同じ向きの第5軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第6関節部が、第6アームの軸線と同じ向きの第6軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含み、
第2関節部と第3関節部とは、1つの駆動源によって同一角度で異方向へ旋回駆動され、第4関節部と第5関節部とは、1つの駆動源によって同一角度で異方向へ旋回駆動されることを特徴とする産業用ロボットである。
本発明に従えば、アームの遊端部の大きな可動範囲を得ることができる。この可動範囲は、アームの側方に関して範囲が抑えられかつアームの伸縮方向に関して大きい可動範囲である。また遊端部の可動範囲に存在する特異点は、線上に存在する構成となり、特異点を少なくして、円滑な動作を可能にすることができる。さらにアームの遊端部を可動させることに伴ってアームの中途部が側方へ突出してしまうことがなく、複数台の産業用ロボットを近接して設置しても、互いに干渉することがない。したがって、複数台の産業用ロボットを近接して設置して用いることができる。しかもこのような産業用ロボットを簡素な構成によって実現し、安価に実現することができる。また、このように動作させるために必要な駆動源の数を少なくし、構成を簡素にしてコストを低減することができる。
また本発明は、第2関節部と第3関節部との間の距離と、第4関節部と第5関節部との間の距離とが、同一であることを特徴とする。
本発明に従えば、第2関節部と第3関節部との間の距離と、第4関節部と第5関節部との間の距離とが異なる場合に比べて、遊端部の可動範囲を大きくすることができる。また特異点をさらに少なくし、より円滑な動作を達成することができる。さらに遊端部の位置を第1〜第6軸である各旋回軸の角度位置によって表す式を用いてロボットを制御するにあたって、前記式を簡単化することができ、制御を容易にすることができる。
また本発明は、基台と、
基台から順に並んで直列に設けられる第1アーム体、第2アーム体、第3アーム体、第4アーム体、第5アーム体および第6アーム体を含むアームと、
第1アーム体を基台に旋回自在に連結する第1関節部、第2アーム体を第1アーム体に旋回自在に連結する第2関節部、第3アーム体を第2アーム体に旋回自在に連結する第3関節部、第4アーム体を第3アーム体に旋回自在に連結する第4関節部、第5アーム体を第4アーム体に旋回自在に連結する第5関節部および第6アーム体を第5アーム体に旋回自在に連結する第6関節部を含み、第1関節部が、第1アーム体の軸線と同じ向きの第1軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第2関節部が、第2アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第2軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第3関節部が、第2軸と同じ向きの第3軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第4関節部が、第4軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第4軸は第3アーム体の軸線を含む平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第3軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第4軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第3軸と前記第3アーム体の軸線との交点と、前記第4軸と前記第3アーム体の軸線との交点間を2等分する位置で前記第3アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第5関節部が、第4軸と同じ向きの第5軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第6関節部が、第6アームの軸線と同じ向きの第6軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含む産業用ロボットの制御方法であって、
第2関節部と第3関節部とを逆方向へ同一角度旋回させ、かつ第4関節部と第5関節部とを逆方向へ同一角度旋回させて、第6アーム体の遊端部を目標位置に変位させるときの各関節部の旋回角度を演算して求め、前記演算によって求めた各旋回角度だけ各関節部を旋回駆動させることを特徴とする産業用ロボットの制御方法である。
本発明に従えば、第2関節部と第3関節部との間の距離と、第4関節部と第5関節部との間の距離とが異なる場合に比べて、遊端部の可動範囲を大きくすることができる。また特異点をさらに少なくし、より円滑な動作を達成することができる。さらに遊端部の位置を第1〜第6軸である各旋回軸の角度位置によって表す式を用いてロボットを制御するにあたって、前記式を簡単化することができ、制御を容易にすることができる。産業用ロボットを制御するにあたって、遊端部の位置を入力して、逆変換によって、第1〜第6軸である旋回軸の角度位置および角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求めることができる。
また本発明は、基台と、
基台から順に並んで直列に設けられる第1アーム体、第2アーム体、第3アーム体、第4アーム体、第5アーム体および第6アーム体を含むアームと、
第1アーム体を基台に旋回自在に連結する第1関節部、第2アーム体を第1アーム体に旋回自在に連結する第2関節部、第3アーム体を第2アーム体に旋回自在に連結する第3関節部、第4アーム体を第3アーム体に旋回自在に連結する第4関節部、第5アーム体を第4アーム体に旋回自在に連結する第5関節部および第6アーム体を第5アーム体に旋回自在に連結する第6関節部を含み、第1関節部が、第1アーム体の軸線と同じ向きの第1軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第2関節部が、第2アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第2軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第3関節部が、第2軸と同じ向きの第3軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第4関節部が、第4軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第4軸は第3アーム体の軸線を含む平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第3軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第4軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第3軸と前記第3アーム体の軸線との交点と、前記第4軸と前記第3アーム体の軸線との交点間を2等分する位置で前記第3アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第5関節部が、第4軸と同じ向きの第5軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第6関節部が、第6アームの軸線と同じ向きの第6軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含む産業用ロボットの制御方法であって、
第2関節部と第3関節部とを逆方向へ同一角度旋回させ、かつ第4関節部と第5関節部とを逆方向へ同一角度旋回させて、第6アーム体の遊端部を目標位置に変位させるときの各関節部の旋回角度を演算して求め、第6アーム体の姿勢のみを変更するための各関節部の旋回角度補正値を求め、前記旋回角度と前記旋回角度補正値とを加算した旋回角度だけ各関節部を旋回駆動することを特徴とする産業用ロボットの制御方法である。
本発明に従えば、産業用ロボットを制御するにあたって、遊端部の位置を入力して、逆変換によって第1〜第6軸である旋回軸の角度位置および角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求めることができる。したがって制御が容易になる。さらに、遊端部の姿勢を変更した状態に、産業用ロボットを制御するにあたっては、遊端部の姿勢を変更していない状態を基準にして、遊端部の姿勢だけを変更した状態の各関節部の旋回角度を求めて加算して、最終的な旋回角度を求めることができる。
本発明によれば、側方への広がりが抑えられる大きい可動範囲を得ることができ、しかもアームが側方へ突出しないので、複数台の産業用ロボットを近接して設置しても、互いに干渉することがない。また可動範囲の側方への広がりが抑えられているので、産業用ロボットを、第1軸が鉛直となるように設置して用いる場合、アームに働くモーメントが小さくなり、たわみを抑えて、高精度な制御を実現することができる。また特異点を少なくして、円滑な動作を可能にすることができるとともに、簡素な構成として、安価に実現することができる。またこのように動作させるために必要な駆動源の数を少なくし、構成を簡素にしてコストを低減することができる。
また本発明によれば、遊端部の可動範囲を可及的に大きくすることができる。また特異点をさらに少なくし、より円滑な動作を達成することができる。さらに遊端部の位置を各旋回軸の角度位置によって表す式を簡単化することができ、制御を容易にすることができる。
また本発明によれば、遊端部の位置を入力して、逆変換によって第1〜第6軸である旋回軸の角度位置および角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求めることができ、制御が容易になる。
また本発明によれば、遊端部の位置を入力して、逆変換によって、第1〜第6軸である旋回軸の角度位置および、角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求めることができ、制御が容易になる。さらに遊端部が任意姿勢をとれるように制御する場合、第6軸が第1軸と同じ向きにする状態を基準にして、遊端部の姿勢だけを変更した状態の各関節部の旋回角度補正値を求めて加算して、最終的な旋回角度を求めることができる。
図1は、本発明の実施の一形態の産業用ロボット30を簡略化して示す正面図である。産業用ロボット30は、たとえば加工装置によってワークを加工するときに、そのワークを保持するための治具ロボットであってもよいし、ワークなどの物品を搬送するための搬送ロボットであってもよいし、その他、溶接および塗装などの加工など、各種の用途に好適に用いるロボットであってもよい。本実施の形態では、産業用ロボット30は、治具ロボットである。この産業用ロボット30は、基台37と、複数、本実施の形態では第1〜第6アーム体31〜36と、複数、本実施の形態では第1〜第6関節部41〜46と、エンドエフェクタ40とを有する、多関節ロボットである。
基台37は、たとえば工場の床などの設置対象物38に固定される。各アーム体31〜36は、第1アーム体31から第6アーム体36に直列に並んで設けられ、これら各アーム体31〜36によってアーム39が構成される。このアーム39は、アーム39の基端部となる第1アーム体31の一端部で基台37に連結される。
各関節部41〜46は、各アーム体を旋回自在に連結する構成であり、同軸関節部と傾斜関節部とを有する。同軸関節部は、アーム体の軸線と同じ向き、具体的には同軸の旋回軸まわりに旋回自在に連結する。傾斜関節部は、アーム体の軸線に対して傾斜する旋回軸まわりに旋回自在に連結する。第1および第6関節部41,46は、同軸関節部であり、第2〜第5関節部42〜45は、傾斜関節部である。
各関節部41〜46は、各アーム体31〜36の軸線L31〜L36が同一軸線(以下「基準軸線」という)L30上に配置される状態(以下「基準状態」という)となり得るように、各アーム体31〜36を連結することができる。このように各アーム体31〜36が同軸配置される状態は、アーム39が最も伸長した状態であって、第6アーム体36が基台37から最も離反した位置に配置される状態である。基準軸線L30は、アーム39の動作に拘らず、第1軸L41と同軸である。
第1アーム体31は、その一端部が、第1関節部41によって基台37に、第1アーム体31の軸線L31と同軸の第1軸L41まわりに旋回自在に連結される。第2アーム体32は、その一端部が、第2関節部42によって第1アーム体31の他端部に、第1および第2アーム体31,32の軸線L31,L32に対して傾斜する第2軸L42まわりに旋回自在に連結される。第3アーム体33は、その一端部が、第3関節部43によって第2アーム体32の他端部に、第2および第3アーム体32,33の軸線L32,L33に対して傾斜する第3軸L43まわりに旋回自在に連結される。
第4アーム体34は、その一端部が、第4関節部44によって第3アーム体33の他端部に、第3および第4アーム体33,34の軸線L33,L34に対して傾斜する第4軸L44まわりに旋回自在に連結される。第5アーム体35は、その一端部が、第5関節部45によって第4アーム体34の他端部に、第4および第5アーム体34,35の軸線L34,L35に対して傾斜する第5軸L45まわりに旋回自在に連結される。第6アーム体36は、その一端部が、第6関節部46によって第5アーム体35の他端部に、第5および第6アーム体36の軸線L36と同軸の第6軸L46まわりに旋回自在に連結される。
第2軸L42と第3軸L43とは、第3アーム体33の軸線L33に対する傾斜方向が互いに同じ向き、具体的には平行である。また第4軸L44と第5軸とL45は、第3アーム体33の軸線L33に対する傾斜方向が互いに同じ向き、具体的には平行である。第3軸L43と第4軸L44とは、第3アーム体33の軸線L33に対する傾斜方向が互いに逆向き、具体的には第3アーム体33の軸線L33に垂直な面に関して対称な向き、言い換えるならば、第3アーム体33の軸線L33を含む平面内に配置され、軸線L33に対する傾斜方向が逆方向でかつ傾斜角度の絶対値が同一である。第2軸L42が第2アーム体32の軸線L32に対して成す傾斜角度、第3軸L43が第3アーム体33の軸線L33に対して成す傾斜角度、第4軸L44が第4アーム体34の軸線L34に対して成す傾斜角度および第5軸L45が第5アーム体35の軸線L35に対して成す傾斜角度は、本実施の形態では、たとえばそれぞれ45度である。したがって第3および第4軸L43,L44は、互いに垂直である。
各関節部41〜46は、たとえば各アーム体41〜46を旋回自在に支持するベアリングなどによって実現される。第1〜第6軸L41〜L46は、旋回軸である。
また本実施の形態では、第2アーム体32のリンク長D32と、第4アーム体34のリンク長D34とは、同一である。第2アーム体32のリンク長D32は、第2および第3関節部42,43間の距離であって、第2および第3軸L42,L43と第2アーム体32の軸線L32との交点間の距離である。第4アーム体34のリンク長D34は、第4および第5関節部44,45間の距離であって、第4および第5軸L44,L45と第4アーム体34の軸線L34との交点間の距離である。
エンドエフェクタ40は、アーム39の遊端部となる第6アーム体36の他端部に、固定される。エンドエフェクタ40は、産業用ロボット30の用途に応じた機器であって、たとえば溶接用トーチおよびハンドリング装置であってもよい。本実施の形態では、産業用ロボット30は治具ロボットであり、エンドエフェクタ40は、ワークを把持するハンドリング装置である。
産業用ロボット30は、各アーム体31〜36を、各関節部41〜46で相対的に旋回駆動するための駆動手段48を有する。駆動手段48は、1または複数の駆動源、本実施の形態では複数の電動モータを有する。駆動源は、各関節部41〜46毎に1つずつ設けられてもよいし、複数の関節部に関して1つの駆動源を共用する構成であってもよい。実際には、駆動源は、各アーム体31〜36のいずれかに内蔵されるが、駆動手段48は、種々の構成をとり得るので、図1では、駆動手段48を、基台37に1つのブロックで示す。もちろん本発明は、駆動手段48が基台37内にだけ設けられる構成に限定されるものではない。
基台38および各アーム体31〜36は、中空筒状に形成されており、駆動手段は、基台および各アーム体31〜36のうちの少なくといずれか1に内蔵される。また各アーム体31〜36内を挿通するようにして、1またたは複数のケーブルが設けられる。ケーブルは、産業用ロボットを動作させるために必要な動力および指令信号を伝達するためのケーブルであって、たとえば電動モータに電力および指令信号を与えるケーブル、エンドエフェクタに電力および指令信号を与えるケーブル、エンドエフェクタで利用される流体を導くためのケーブルである。
各アーム体31〜36を駆動手段によって旋回させる旋回機構は、図10に示すような従来の技術の傾斜関節部を有するロボットの機構と、同様の機構であってもよい。具体的一例を挙げると、中空形状の波動歯車機構、たとえばハーモニックドライブ(登録商標)を用いてもよい。波動歯車機構は、入力側部材と出力側部材とを備え、それらが相対的に回転する。入力側部材は、各関節部41〜46によって連結する2つの部材(基台およびアーム体)の一方に連結され、出力側部材は、前記2つの部材のうちの他方に連結される。駆動源からの回転が入力側部材に与えられると、入力側部材と出力側部材とが相対的に回転し、前記2つの部材が相対的に回転される。したがって各アーム体31〜36が旋回される。
産業ロボット30は、このような基台37、アーム39、各関節部41〜46、および駆動手段48を含んでロボット本体49が構成され、このロボット本体49を制御する制御装置50をさらに含む。制御装置50は、入力部51および中央演算処理部52を備える。入力部51は、キーボードなどによって実現され、操作者の操作によってアーム39の遊端部の位置および姿勢のいずれか一方を指示する指示情報が入力され、入力される指示情報を中央演算処理部51に与える。中央演算処理部51は、たとえばCPUおよびメモリなどによって実現され、入力される指示情報に基づいて、アーム39の遊端部を移動させるために必要な本体49の動作、具体的には指示情報が表す位置および姿勢となる場合の各関節部41〜46における角度位置およびこの角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求め、その演算結果を表す情報を、動作指令として多関節ロボット1の駆動手段48に与える。
ここで各関節部41〜46における角度位置は、各関節部41〜46によって連結される2つの部材のうち、基台37側の部材に対する第6アーム体36側の部材の基準位置からの角変位角度である。基準位置は、たとえばアーム39が基準状態にあるときの位置である。
図2は、本発明の制御方法に従って、中央演算処理部52で実行される制御動作を示すフローチャートである。中央演算処理部52における制御動作は、入力部51の操作によって指示情報が入力されると、ステップs0で開始され、ステップs1に進む。ステップs1では、入力される指示情報に基づいて、姿勢は一定か否か判定し、姿勢が一定であると判定すると、ステップs2に進み、姿勢が一定でなく変化すると判定すると、ステップs5に進む。
ステップs2では、第2および第3関節部42,43を互いに異なる方向へ同一の角度旋回させ、かつ第4および第5関節部44,45を互いに異なる方向へ同一の角度旋回させることを前提として、アーム39の遊端部を指示情報の表す位置に変位させた状態の各関節部の角度位置を演算し、その角度位置に旋回させるために必要な旋回角度を演算する。このような演算が終了するとステップs3に進み、演算結果に基づいて、各関節部41〜46において必要な旋回角度だけ旋回駆動するように、駆動手段に48に動作指令を与えて駆動手段を制御する。駆動手段48の制御が終了すると、ステップs4に進んで、制御動作を終了する。
ステップs5では、姿勢が一定あると仮定して、第2および第3関節部42,43を互いに異なる方向へ同一の角度旋回させ、かつ第4および第5関節部44,45を互いに異なる方向へ同一の角度旋回させることを前提として、アーム39の遊端部を指示情報の表す位置に変位させた状態の各関節部の角度位置を演算し、その角度位置に旋回させるために必要な旋回角度を演算する。このような演算が終了するとステップs6に進み、遊端部の姿勢だけを変更した状態の各関節部の角度位置を演算し、その角度位置に旋回させるために必要な旋回角度を演算し、これをステップs5で求めた旋回角度に加算して、最終的に必要な旋回角度を求める。このような演算が終了すると、ステップs3に進む。
このような制御動作を実行して、アーム39の遊端部を移動させている。制御動作において、ステップs2,s5における演算では、アーム39の遊端部を指示情報の表す位置に基づいて、解析的な逆変換によって、各関節部41〜46の角度位置を求めている。この解析的な逆変変換は、多関節のロボットにおける制御では、一般的に利用される演算であるので、詳細な説明は省略するが、本実施の形態における利点を以下に簡単に説明する。
この解析的な逆変換によって各関節部41〜46の角度位置を求めるにあたって、前述のように第2および第3軸L42,L43を同じ向きとし、第4および第5軸L44,L45を同じ向きでかつ第2および第3軸L42,L43と逆向きとすることによって、次式(1)および式(2)の条件を満たすことになる。
q3=−q2 …(1)
q5=−q4 …(2)
ここでq2〜q5は、アーム39の遊端部を指示情報の表す位置まで移動させるために必要な、第2〜第5軸L42〜L45の旋回角度である。q2は、第2軸L42まわりの旋回角度である。q3は、第3軸L43まわりの旋回角度である。q4は、第4軸L44まわりの旋回角度である。q5は、第5軸L45まわりの旋回角度である。
式(1)および式(2)の関係を満たす場合、これを逆変換のための式に代入することによって、その逆変換式を、式(3)のような、単変数、たとえばq2だけが変数となる4次方程式で表すことが可能になる。
cosq2+a3cosq2+a2cosq2+a1cosq2+a0=0 …(3)
ここでa3,a2,a1,a0は、各アーム体41〜46のリンク長、アーム39の遊端部の指令位置(指示情報が表す位置)に関する関数であり、未知の変数は含んでいない。
このような簡単な逆変換式とすることができるので、逆変換解を解析的に容易に導くことができ、演算を容易にして、制御を容易にすることができる。しかも第2アーム体32のリンク長D32と第4アーム体34のリンク長D34とが同一である場合、a3=0およびa1=0となるので、単変数の2次方程式へと低次元化することができ、さらに演算およびこれに伴う制御を容易にすることができる。このような逆変換による演算ができない場合、収束演算されるが、逆変換による演算は、収束演算に比べて極めて演算量が少なく、制御を容易にすることができる。
図3は、産業用ロボット30の可動範囲S30を示すグラフである。縦軸は、基準軸線L30に平行なアーム39の伸縮方向であり、横軸は、基準軸線L30に垂直な一方向である。図3には、第6軸L36が第1軸L31と平行に配置される状態で、アーム39の遊端部の姿勢を変化させない場合の可動範囲S30であって、基準軸線L30を含む平面での断面における基準軸線L30の片側だけを示す。また図3には、可動範囲S30の輪郭を点線で示す。前述のように遊端部の姿勢を変化させない場合の実際の可動範囲S30は、図3に示すような形状の面を、図3の縦軸と一致する基準軸線L30まわりに回転させた回転体と同様の範囲であり、図1に示す範囲である。
このように産業用ロボット30は、図10に示す従来の産業用ロボット20に比べて、基準軸線L30と交差する方向である側方の範囲が抑えられ、基準軸線L30と平行なアーム30の伸縮方向の範囲が大きい、楕円体状の可動範囲S30を得ることができる。さらに本実施の形態のように、第2アーム体32のリンク長D32と、第4アーム体34のリンク長D34とを同一の値にすることによって、基準軸線L30上の位置にも移動できる広い可動範囲を得ることができる。またアーム39の遊端部の特定の方向の自由度が失われる特異点55は、図3に示す断面上では1点だけであり、したがって、可動範囲には、1つの円上にだけ存在する。
このように産業ロボット30は、第1〜第6軸L41〜L46が前述のような関係を満たす構造とすることによって、前述のように基準軸線L30に近い位置で、かつ基準軸線Lに沿って広がる大きな可動範囲S30を得ることができる。特に第2および第4アーム体32,34のリンク長D32,D34を同一にすることによって、より大きい可動範囲S30を得ることができる。
また特異点55を少なく、線上にしか存在しないようにすることができる。特に第2および第4アーム体32,34のリンク長D32,D34を同一にすれば、特異点50を1つの円上の点だけとすることができ、特異点55を避けて動作することが容易になり、円滑な動作を達成することができる。
図4は、産業用ロボット30の用途の一例を示す斜視図である。産業用ロボット30は、たとえば加工ロボット60によって加工されるワーク61を保持するための治具ロボットとして用いられる。この場合、複数台の産業用ロボット30が設置され、エンドエフェクタ40としてハンドリング装置が設けられ、協働してワーク61を保持している。
産業用ロボット30では、アーム39の遊端部を可動させることに伴ってアーム39の中途部が側方へ突出してしまうことがなく、図4に示すように、複数台の産業用ロボット30を近接して設置しても、互いに干渉することがない。したがって、複数台の産業用ロボット30を近接した設置して用いることができる。しかも図4に示すように、作業者61が産業用ロボット30に近接した位置で作業することが可能であり、作業を容易にすることができる。したがって治具ロボットして構成に用いることができる。さらにこのような産業用ロボット30を前述のような簡素な構成によって実現し、安価に実現することができる。
また治具ロボットとして用いる場合、産業用ロボット30を床に設置して、アーム39を上方へ延ばすように設置して用いられるが、この場合、アームの遊端部の可動範囲S30が、基準軸線L30と交差する方向へ大きく離れた位置に移動することがなく、アーム39に大きなモーメントが働くことがなく、たわみを小さく抑えることができる。これによってアーム39の遊端部の位置精度が高くなり、治具ロボットとして好適に用いることができる。また治具ロボットでは、アーム39の遊端部は、一定の姿勢のまま平行移動できればよく、前述のような第2および第3関節部42,43を、同一角度異方向へ旋回する構成とし、第4および第5関節部44,45を、同一角度異方向へ旋回する制御が好適に実施される。
図5は、本発明の実施の他の形態の産業用ロボットの可動範囲S30aを示すグラフである。縦軸は、基準軸線L30に平行なアーム39の伸縮方向であり、横軸は、基準軸線Lに垂直な一方向である。図5には、図3と同様の断面で示す。本実施の形態では、第2アーム体32のリンク長D32が第4アーム体34のリンク長D34よりも長い。その他の構成は、図1〜図4の産業用ロボット30と同様であり、対応する部分の同一の符号を用いる。このような構成では、可動範囲S30aは、第2および第4アーム体32,34のリンク長D32,D34が同一の場合に比べて、基準軸線L30付近に可動範囲が存在しないが、従来に比べて、基準軸線L30に垂直な方向の範囲を抑え、かつ基準軸線Lに沿って大きい範囲となる。したがって、このような構成であっても同様の効果を得ることができる。また特異点55も、2つの円上となるが、従来に比べて、少なくすることができる。
図6は、産業用ロボット30の駆動手段48の一例を示す正面図である。図6には、第1〜第3アーム体31〜33は、厚みなどを省略して簡略化して示す。図6には、駆動手段48の一部の構成であって、第2アーム体32に内蔵される構成を示す。この構成は、第2および第3関節部42,43を、同一角度異方向へ旋回する構成に限定する場合に、駆動手段48に適用することができる構成である。
第2アーム体32には、第2および第3軸L42,L43まわり回転自在に伝達軸70がそれぞれ設けられ、各伝達軸70は、第1および第3アーム体31,32に相互の角変位が阻止された状態で連結される。各伝達軸70には傘歯車71がそれぞれ設けられる。また第2アーム体32には、その軸線L32と平行に駆動軸72が回転自在に設けられ、両端部に前記傘歯車71に噛合する傘歯車73が設けられる。この駆動軸72は、電動モータ75によって歯車列76を介して回転駆動される。このような構成によって、1つの電動モータ75によって、第2および第3関節部42,43において、アーム体を旋回駆動することができる。第4および第5関節部44,45に関連する構成においても、同様の構成を適用することができる。
図7は、産業用ロボット30の駆動手段48の他の例を示す正面図である。図7には、第1〜第3アーム体31〜33は、厚みなどを省略して簡略化して示す。図7には、駆動手段48の一部の構成であって、第2アーム体32に内蔵される構成を示す。この構成は、図6の構成と同様に、第2および第3関節部42,43を、同一角度異方向へ旋回する構成に限定する場合に、駆動手段48に適用することができる構成である。
第2アーム体32には、第2および第3軸L42,L43まわり回転自在に伝達軸80がそれぞれ設けられ、各伝達軸80は、第1および第3アーム体31,32に相互の角変位が阻止された状態で連結される。各伝達軸80には平歯車81がそれぞれ設けられる。また第2アーム体32には、その軸線L32と平行に主動駆動軸82aが回転自在に設けられ、その両端部に自在継手82bを介して2つの従動駆動軸82cが連結されている。各従動駆動軸82cは、第2および第3軸L42,L43と平行な軸線まわりに回転自在である。これら各従動駆動軸82cに前記平歯車81に噛合する平歯車83が設けられる。主動駆動軸82aは、電動モータ85によって歯車列86を介して回転駆動される。このような構成によって、1つの電動モータ85によって、第2および第3関節部42,43において、アーム体を旋回駆動することができる。第4および第5関節部44,45に関連する構成においても、同様の構成を適用することができる。
このように産業用ロボット30では、第2および第3関節部42,43を、同一角度異方向へ旋回する構成とし、第4および第5関節部44,45を、同一角度異方向へ旋回する構成とする場合、第2関節部42と第3関節部43とは、1つの駆動源によって旋回駆動し、第4関節部44と第5関節部45とは、1つの駆動源によって旋回駆動することができる。これによって産業用ロボット30の構成を簡単にすることができる。
前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内で構成を変更することができる。たとえば、産業用ロボットは、ワークを保持するための治具ロボットに代えて、ワークを搬送する搬送ロボットとして用いるようにしてもよいし、溶接および塗装などのワークを加工するためのロボットとして用いてもよい。
本発明の実施の一形態の産業用ロボット30を簡略化して示す正面図である。 本発明の制御方法に従って、中央演算処理部52で実行される制御動作を示すフローチャートである。 産業用ロボット30の稼動範囲を示すグラフである。 産業用ロボット30の用途の一例を示す斜視図である。 本発明の実施の他の形態の産業用ロボットの可動範囲S30aを示すグラフである。 産業用ロボット30の駆動手段48の一例を示す正面図である。 産業用ロボット30の駆動手段48の他の例を示す正面図である。 第2の従来の技術である汎用治具1を簡略化して示す正面図である。 第3の従来の技術である垂直多関節ロボット10を簡略化して示す正面図である。 第4の従来の技術である傾斜多関節ロボット20を簡略化して示す正面図である。
符号の説明
30 産業用ロボット
31 第1アーム体
32 第2アーム体
33 第3アーム体
34 第4アーム体
35 第5アーム体
36 第6アーム体
41 第1関節部
42 第2関節部
43 第3関節部
44 第4関節部
45 第5関節部
46 第6関節部
48 駆動手段
50 制御装置
52 中央演算処理部
55 特異点
L41 第1軸
L42 第2軸
L43 第3軸
L44 第4軸
L45 第5軸
L46 第6軸
S30,S30a 可動範囲

Claims (4)

  1. 基台と、
    基台から順に並んで直列に設けられる第1アーム体、第2アーム体、第3アーム体、第4アーム体、第5アーム体および第6アーム体を含むアームと、
    第1アーム体を基台に旋回自在に連結する第1関節部、第2アーム体を第1アーム体に旋回自在に連結する第2関節部、第3アーム体を第2アーム体に旋回自在に連結する第3関節部、第4アーム体を第3アーム体に旋回自在に連結する第4関節部、第5アーム体を第4アーム体に旋回自在に連結する第5関節部および第6アーム体を第5アーム体に旋回自在に連結する第6関節部を含み、第1関節部が、第1アーム体の軸線と同じ向きの第1軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第2関節部が、第2アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第2軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第3関節部が、第2軸と同じ向きの第3軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第4関節部が、第4軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第4軸は第3アーム体の軸線を含む平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第3軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第4軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第3軸と前記第3アーム体の軸線との交点と、前記第4軸と前記第3アーム体の軸線との交点間を2等分する位置で前記第3アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第5関節部が、第4軸と同じ向きの第5軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第6関節部が、第6アームの軸線と同じ向きの第6軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含み、
    第2関節部と第3関節部とは、1つの駆動源によって同一角度で異方向へ旋回駆動され、第4関節部と第5関節部とは、1つの駆動源によって同一角度で異方向へ旋回駆動されることを特徴とする産業用ロボット。
  2. 第2関節部と第3関節部との間の距離と、第4関節部と第5関節部との間の距離とが、同一であることを特徴とする請求項1記載の産業用ロボット。
  3. 基台と、
    基台から順に並んで直列に設けられる第1アーム体、第2アーム体、第3アーム体、第4アーム体、第5アーム体および第6アーム体を含むアームと、
    第1アーム体を基台に旋回自在に連結する第1関節部、第2アーム体を第1アーム体に旋回自在に連結する第2関節部、第3アーム体を第2アーム体に旋回自在に連結する第3関節部、第4アーム体を第3アーム体に旋回自在に連結する第4関節部、第5アーム体を第4アーム体に旋回自在に連結する第5関節部および第6アーム体を第5アーム体に旋回自在に連結する第6関節部を含み、第1関節部が、第1アーム体の軸線と同じ向きの第1軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第2関節部が、第2アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第2軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第3関節部が、第2軸と同じ向きの第3軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第4関節部が、第4軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第4軸は第3アーム体の軸線を含む平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第3軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第4軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第3軸と前記第3アーム体の軸線との交点と、前記第4軸と前記第3アーム体の軸線との交点間を2等分する位置で前記第3アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第5関節部が、第4軸と同じ向きの第5軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第6関節部が、第6アームの軸線と同じ向きの第6軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含む産業用ロボットの制御方法であって、
    第2関節部と第3関節部とを逆方向へ同一角度旋回させ、かつ第4関節部と第5関節部とを逆方向へ同一角度旋回させて、第6アーム体の遊端部を目標位置に変位させるときの各関節部の旋回角度を演算して求め、前記演算によって求めた各旋回角度だけ各関節部を旋回駆動させることを特徴とする産業用ロボットの制御方法。
  4. 基台と、
    基台から順に並んで直列に設けられる第1アーム体、第2アーム体、第3アーム体、第4アーム体、第5アーム体および第6アーム体を含むアームと、
    第1アーム体を基台に旋回自在に連結する第1関節部、第2アーム体を第1アーム体に旋回自在に連結する第2関節部、第3アーム体を第2アーム体に旋回自在に連結する第3関節部、第4アーム体を第3アーム体に旋回自在に連結する第4関節部、第5アーム体を第4アーム体に旋回自在に連結する第5関節部および第6アーム体を第5アーム体に旋回自在に連結する第6関節部を含み、第1関節部が、第1アーム体の軸線と同じ向きの第1軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第2関節部が、第2アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第2軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第3関節部が、第2軸と同じ向きの第3軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第4関節部が、第4軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第4軸は第3アーム体の軸線を含む平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第3軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第4軸が前記第3アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第3アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第3軸と前記第3アーム体の軸線との交点と、前記第4軸と前記第3アーム体の軸線との交点間を2等分する位置で前記第3アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第5関節部が、第4軸と同じ向きの第5軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第6関節部が、第6アームの軸線と同じ向きの第6軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含む産業用ロボットの制御方法であって、
    第2関節部と第3関節部とを逆方向へ同一角度旋回させ、かつ第4関節部と第5関節部とを逆方向へ同一角度旋回させて、第6アーム体の遊端部を目標位置に変位させるときの各関節部の旋回角度を演算して求め、第6アーム体の姿勢のみを変更するための各関節部の旋回角度補正値を求め、前記旋回角度と前記旋回角度補正値とを加算した旋回角度だけ各関節部を旋回駆動することを特徴とする産業用ロボットの制御方法。
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