JP4873946B2

JP4873946B2 - 組立装置

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Publication number: JP4873946B2
Application number: JP2005367990A
Authority: JP
Inventors: 真長池; 正樹寺内
Original assignee: Idec Corp
Current assignee: Idec Corp
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: JP2007168004A

Description

本発明は、ベース部とアーム部とを備える産業用ロボットの技術に関する。

多点数の部品から構成される組立体を産業用ロボットにより自動的に組み立てる組立装置が知られている。

例えば特許文献１に開示される組立装置においては、図１２に示すロボット５のような構成を有する水平多関節ロボットを用いて組立作業が行われる。

特開２０００−３５４９１９号公報

しかしながら、上記の水平多関節ロボットでは、図１２に示すように第１アーム５１１の長さＬａが第２アーム５１２の長さＬｂより長いため、これらのアームを第２関節Ｊ２で折り畳んだ屈曲状態でベース部５０を中心に第１アーム５１１を旋回させた場合、その最小旋回半径（最小回転半径）は必ず第１アーム５１１の制約を受け、第１アーム５１１の長さ以下となることはない。これでは、ロボットの最大リーチ半径に対する最小旋回半径の比率が必ずしも低く抑えられているとはいえず、ロボットの可動範囲の拡大が適切に図れているとは限らない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、可動範囲の拡大が図れる産業用ロボットの技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１ないし請求項４の組立装置にて用いられる所定の産業用ロボットは、(a)ベース部と、(b)前記ベース部に第１の水平関節を介して接続する第１アームと、(c)前記第１アームに第２の水平関節を介して接続する第２アームとを備え、前記第２アームは、前記第１アームより長く、前記第１アームと前記第２アームとに関する合計長のうち前記第２アームの比率は、５５％以上６５％以下であり、前記第１アームと前記第２アームとを伸ばした伸張状態から、前記第１アームと前記第２アームとを前記第２の水平関節で折り畳んだ屈曲状態への前記第２の水平関節の回転限界が１２８°以上１５８°以下である。

請求項１の発明は、上記所定の産業用ロボットとして構成される２台のロボットを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、前記作業台上には、前記２台のロボットの可動範囲が重なる共通可動範囲が規定されており、前記２台のロボットそれぞれの前記屈曲状態における最小旋回範囲が、前記共通可動範囲に干渉しない。

また、請求項２の発明は、上記所定の産業用ロボットとして構成される１台のロボットと、前記１台のロボットと異なる構成を有する他のロボットとからなる２台のロボットを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、前記作業台上には、前記１台のロボットの可動範囲と前記他のロボットの可動範囲とが重なる共通可動範囲が規定されており、前記１台のロボット及び前記他のロボットそれぞれの前記屈曲状態における最小旋回範囲が、前記共通可動範囲に干渉しない。
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の組立装置であって、前記２台のロボットそれぞれの旋回中心点を結ぶ直線上において、前記２台のロボットのうち一方のロボット及び他方のロボットから最も遠くなる点が前記一方のロボットの最遠点及び他方のロボットの最遠点として規定され、前記一方のロボットの最小旋回半径上に前記他方のロボットの最遠点を配置させるとともに、前記他方のロボットの最小旋回半径上に前記一方のロボットの最遠点を配置させる。
また、請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の組立装置であって、前記所定の産業用ロボットは、水平多関節ロボットとして構成されている。

請求項１ないし請求項４の発明の所定の産業用ロボットによれば、ベース部に第１の水平関節を介して接続する第１アームより、第１アームに第２の水平関節を介して接続する第２アームが長いため、ロボットの可動範囲の拡大が図れる。

特に、第１アームと第２アームとに関する合計長のうち第２アームの比率が５５％以上６５％以下であるため、ロボットの可動範囲を一層拡大できる。

そして、請求項１の発明においては、第２アームが第１アームより長い２台のロボットの可動範囲が重なる共通可動範囲が作業台上に規定されているため、共通可動範囲の拡大が図れる。

また、請求項２の発明においては、第２アームが第１アームより長い１台のロボットの可動範囲と、他のロボット(例えば従来型のロボット)の可動範囲とが重なる共通可動範囲が作業台上に規定されているため、共通可動範囲の拡大が図れる。
さらに、請求項４の発明においては、所定の産業用ロボットが水平多関節ロボットとして構成されているため、精度の高い組立作業を行える。

＜組立装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る産業用ロボット１を有する組立装置１００の要部構成を示す正面図である。

組立装置１００は、正立姿勢で配置される産業用ロボット（以下では単に「ロボット」という）１と、立体フレーム構造を有するフレーム構造体２とを備えている。

＜フレーム構造体２の要部構成＞
フレーム構造体２においては、角棒状の形状を有する例えばアルミ製のフレーム部材(以下では単に「フレーム」という)２１の群によって立体構造が形成されている。

また、フレーム構造体２では、鉛直方向(Ｚ軸方向)に沿ってロボット１の周囲に配置される４本のフレーム２１ａを含む複数のフレーム２１により、ロボット１を内包する直方体状の立体構造が形成されている。

また、フレーム構造体２は、金属製のプレート２２を固定するために水平方向に沿って配置された複数のフレーム２１ｂを備えている。そして、プレート２２がフレーム２１ｂで支持されることにより、プレート２２の上面に固定されているロボット１が組立作業を行うための作業台ＷＤとして機能する。

以上のようなフレーム構造体２の構成により、ロボット１を含むロボット部のモジュール化が図れる。また、フレーム構造にすることにより、安全柵、安全機器（安全スイッチ、非常停止スイッチ、ライトカーテン、エリアセンサ等）が取付けやすくなるとともに取付け構造の標準化が可能となり、安全機能をモジュール化できることとなる。

図２は、作業台ＷＤを上方から見た平面図である。

作業台ＷＤ上には、部品や組立体などの被収容物を収容する複数のトレイ３が載置されるとともに、部品等が保持される組立用治具４(図１参照)をセットするための複数の治具ホルダ４０が設置されている。以下では、トレイ３と組立用治具４とについて順に説明する。

図３は、トレイ３に載置される部品等の様子を示す斜視図である。

図３(ａ)に示すように、中子３１の整列孔３２のそれぞれに部品９１が挿入されることで、整列が行われる。ここで、整列孔３２の形状は、部品９１の形状に対応しており、これにより部品９１の位置が整列孔３２によって規制される。図３(ｂ)に示すように、部品９２についても、その形状に対応した整列孔３４を有する中子３３により、トレイ３に整列される。

また、図３(ｃ)に示すように、上記の部品９１、９２を含む複数の部品から組み立てられた組立体９３については、上記の整列孔３２、３４の代わりに整列突起３６を有する中子３５によりトレイ３に整列が行われる。ここでは、整列突起３６の間に、組立体９３が挟み込まれて固定されることとなる。

図４は、組立用治具４Ａ、４Ｂおよび治具ホルダ４０の例を示す斜視図である。図４（ａ）に示す組立用冶具４Ａは、部品等を保持する部品保持部４１および、治具ホルダ４０に着脱自在に接続するホルダ接続部４２を備えている。図４（ｂ）に示す組立用治具４Ｂも、同様に部品等を保持する部品保持部４３および、治具ホルダ４０に着脱自在に接続するホルダ接続部４４を備えている。また、図４（ｃ）に示す治具ホルダ４０は、その底面が作業台ＷＤの上面に固定されており、組立用冶具４(４Ａ、４Ｂ)を載置する冶具載置部４５を備えている。この冶具載置部４５は、突起部４６を有しており、この突起部４６がホルダ接続部４２、４４の底面に設けられている穴（図示せず）に嵌合することで、組立用治具４(４Ａ、４Ｂ)を保持するとともに、治具ホルダ４０に対する組立用治具４(４Ａ、４Ｂ)の位置決めが行われる。

以上のようなトレイ３および組立用治具４により、必要な部品を載置したトレイ３を作業台ＷＤ上にセットすることでロボット１の組立作業に対する部品供給を行えるとともに、組立用治具４を使用して組み立てられた組立体を作業台ＷＤ上のトレイ３に収容できることとなる。ここで、部品が載置されたトレイ３を作業台ＷＤに搬入するトレイ搬入動作と、組立体が収容されたトレイ３を作業台ＷＤから搬出するトレイ搬出動作とを自動化すれば、人手に頼ることなく円滑な組立作業が可能となる。

次に、ロボット１の構成について説明する。

＜ロボット１の要部構成＞
図５は、ロボット１の要部構成を示す斜視図である。

ロボット１は、鉛直軸まわりの３つの旋回自由度のアーム結合の先端に鉛直軸方向の１つの伸縮自由度を持たせた４自由度の水平多関節ロボットとして構成されている。よって、ロボット１では部品９１などのワーク８を把持して上下方向に部品を組み付ける作業が可能となっている。

ロボット１は、作業台ＷＤ上の所定位置に配置されるベース部１０と、ベース部１０に肩関節部Ｊｓを介して接続するアーム部１１と、アーム部１１の先端部に手首関節部Ｊｈを介して接続するハンド部１２とを備えている。

ハンド部１２は、短尺の円筒形状を有し手首関節部Ｊｈに着脱自在に連結する連結部１２１と、連結部１２１に接続するハンド本体１２２と、ハンド本体１２２に接続する４つのチャック部１２３とを備えている。このチャック部１２３では、エアー配管などを介して供給される駆動エアー(圧縮空気)によって、部品９１(図３)などのワーク８を把持することが可能である。

肩関節部Ｊｓは、鉛直軸回りに回動可能な水平関節（以下では「第１関節」という）Ｊ１を有している。また、手首関節部Ｊｈは、鉛直軸回りに回動可能な回転関節（以下では「第３関節」という）Ｊ３とハンド部１２を鉛直軸方向に昇降させる直動関節（以下では「第４関節」という）Ｊ４とを備えている。

アーム部１１は、肩関節部Ｊｓに接続する第１アーム(上腕)１１１と、鉛直軸回りに回動可能な水平関節（以下では「第２関節」という）Ｊ２を介して第１アーム１１１に接続する第２アーム(前腕)１１２とを備えている。

そして、アーム部１１では、第２アーム１１２の長さ（第２関節Ｊ２の回転中心から第３関節Ｊ３の回転中心までの水平距離）Ｌ２が、第１アーム１１１の長さ（第１関節Ｊ１の回転中心から第２関節Ｊ２の回転中心までの水平距離）Ｌ１に対して約１.５倍の長さとなっている。このように第２アーム１１２が第１アーム１１１より長くなっているため、これらのアームを肘関節の第２関節Ｊ２で折り畳んだ屈曲状態において第１関節Ｊ１による水平旋回を行う場合でも、その最小旋回半径Ｒmin(図２)は、従来型のロボット５（図１２）のような第１アームの制約を必ずしも受けなくなる。このため、従来に比べて最大リーチ半径Ｒmax(図２)に対する最小旋回半径Ｒminの比率を低く抑えることが可能になるが、これについて以下で詳しく説明する。

＜最小旋回半径について＞
一般に産業用ロボットでは、アーム全長に対応する最大リーチ半径に対して上述の最小旋回半径の比率が低くなると、最大リーチ半径と最小旋回半径とに挟まれる作業可能領域が広がり、ロボットの可動範囲の拡大を図れることとなる。

一方、複数の産業用ロボットが協働して組立作業を行う組立装置でも、最大リーチ半径に対する最小旋回半径の割合を小さくできれば、各ロボットが協調して作業できる共通のエリアを広く設定できることとなる。この共通エリアについて以下で説明する。

まず、上述したロボット１と同様の構成を有する２台のロボット１Ａ、１Ｂが上記のフレーム構造体２内の作業台ＷＤ上に配置された組立装置を考える。ここで、図６に示すように作業台における各ロボット１Ａ、１Ｂの可動範囲を一部が欠けた略リング状のエリアＥａ、Ｅｂとすると、各エリア(各ロボットの可動範囲)Ｅａ、Ｅｂの重なるエリアＥｃが共通エリア(共通可動範囲)として規定されることとなる。すなわち、共通エリアＥｃは、次の式(１)のように定義される。

２台のロボットを有する組立装置では、一方のロボットが共通エリアＥｃで作業を行っている場合でも、作業効率向上の観点から他方のロボットのアームが共通エリアＥｃ付近を自由に横断できるのが好ましい。これには、このアーム横断時にロボットの折り畳んだアームが共通エリアＥｃに干渉しないこと、つまり図６に示すロボットの最小旋回半径の内部領域(最小旋回エリア)Ｅｆ、Ｅｇと重なるエリアＥｉを共通エリアＥｃから除外した範囲に共通エリアＥｃを設定することが必要となる。すなわち、共通エリアＥｃは、次の式(２)で規定される領域に設定するのが好ましい。

以上のように設定される共通エリアＥｃを広く確保できればロボットによる作業のバリエーションが増加するが、単にアーム全長の大きいロボットを採用しても、それに比例して最小旋回領域が大きくなるため、図６に示すエリアＥｉも拡大することとなる。ここで、拡大するエリアＥｉを小さくするにはロボット間の距離を拡げなければならないため、組立装置全体のサイズが増大する。しかし、組立装置全体のサイズは設置スペースによる制約があるため、サイズを無制限に大きくできない。一方、上述の組立装置１００のような組立装置では、フレーム構造体２に収容できるサイズのロボットが選定されることとなる。

そこで、ロボットのサイズ(アーム全長)が同じでも比較的広い共通エリアＥｃを確保できる方法について以下で説明する。

図７に示すようにロボット１Ａ、１Ｂ間のピッチ(距離)をＬｐ、ロボットの動作可能限界である動作可能半径をＲａ、Ｒｂとし、最小旋回半径をＲｆ、Ｒｇとする。また、ロボット１Ａ、１Ｂの旋回中心点をＣａ、Ｃｂとし、共通エリアＥｃ内の各旋回中心点Ｃａ、Ｃｂを結ぶ直線上においてロボット１Ａ、１Ｂから最も遠くなる点(最遠点)をＱｂ、Ｑａとする。なお、これら各点に関するＸＹ座標をＣａ＝(０，０)、Ｃｂ＝(Ｃｂｘ，Ｃｂｙ)、Ｑａ＝(Ｑａｘ，Ｑａｙ)、Ｑｂ＝(Ｑｂｘ，Ｑｂｙ)とし、共通エリアＥｃの最大幅（最遠点Ｑａ、Ｑｂ間の距離）をＷｃとする。

このようなロボット１Ａ、１Ｂの共通エリアＥｃについては、ロボット１Ａ、１Ｂの最小旋回半径Ｒｆ、Ｒｇ内に他方のロボットの最遠点Ｑａ、Ｑｂが入らないように設定することが重要となる。よって、広い共通エリアＥｃを確保するには、ロボット１Ａの最小旋回半径Ｒｆ上にロボット１Ｂの最遠点Ｑａを配置させるとともに、ロボット１Ｂの最小旋回半径Ｒｇ上にロボット１Ａの最遠点Ｑｂを配置させるのが好ましいこととなる。

この条件を数式化すると、ロボット間の条件として次の式(３)〜(４)が、ロボット１Ａ固有の条件として次の式(５)〜(６)が、ロボット１Ｂ固有の条件として次の式(７)〜(８)が成立する。

以上の式(３)〜(８)を満足するように共通エリアＥｃの設定を行えば良いが、ロボットの最大リーチ半径が同じでもより広い共通エリアＥｃを確保するためには、最大リーチ半径に対する最小旋回半径の比率を低くすることが効果的となる。

このようにロボット間の共通エリアＥｃの拡大や、上述したロボット単独での可動範囲の拡大に貢献する最小旋回半径の低減について、ロボット１で具体的に考察する。

まず、上面図を表す図８のようにロボット１の第２関節Ｊ２の回動角度をθとし、第２関節Ｊ２（第１アーム１１１の先端部および第２アーム１１２の根元部）および第３関節Ｊ３（第２アーム１１２の先端部）における外形面の曲率半径をＲ２、Ｒ３とする。

そして、図８に示すように第１・第２アーム１１１、１１２を伸ばした伸張状態で第１関節Ｊ１によりアームの旋回を行う場合に、第１関節Ｊ１の回転中心から最も遠くなる第２関節Ｊ２および第３関節Ｊ３の外形が描く円(円弧)の半径（以下では「第２関節回転半径」および「第３関節回転半径」という）をＤ１、Ｄ２とする。これらの第２関節回転半径Ｄ１および第３関節回転半径Ｄ２を、図９に示すように第２関節Ｊ２でアームを折り曲げた状態も考慮して一般化すると、次の式(９)〜(１０)が成り立つ。

そして、上式(９)〜(１０)において、Ｄ１≧Ｄ２の場合にはロボット１の最小旋回半径は第２関節回転半径Ｄ１となり、Ｄ１＜Ｄ２の場合には最小旋回半径は第３関節回転半径Ｄ２となる。

この最小旋回半径については、第１アーム１１１の長さと第２アーム１１２の長さとの比率に応じて変化する。アーム全長（第１アーム１１１の長さ＋第２アーム１１２の長さ）に対する最小旋回半径の割合が最低となる第１アーム１１１および第２アーム１１２の比率を求めた結果を図１０に示す。なお、図１０では、アーム全長３５０ｍｍ〜１０５０ｍｍの一般的な水平多関節ロボットにおいて、アームを折り畳むために第２関節Ｊ２の回転角度θを１２８°〜１６０°に設定した場合のシミュレーション結果を示している。

図１０のシミュレーション結果をグラフ化すると図１１のようになる。図１１において、横軸は第２関節Ｊ２の回転角度を示し、縦軸はアーム全長(１００％)に対する第１アームおよび第２アームの比率(％)を示している。

組立作業等を行う一般的な水平多関節ロボットにおいて第２関節の回転限界は約１２８°〜１５８°の範囲内となることが多いため、この範囲を考慮した第１アーム１１１の長さおよび第２アーム１１２の長さの比率をロボット１で採用することとする。すなわち、ロボット１では、第１アーム１１１と第２アーム１１２とに関する合計長(アーム全長)のうち第２アーム１１２の長さの比率が５５％以上６５％以下となるようにする（図１１参照）。より好適には、第１アーム１１１の長さと第２アーム１１２の長さとの比を約４：６、換言すれば第２アーム１１２の長さを第１アーム１１１に対して約１.５とする。

以上のような比率を有する第１アーム１１１および第２アーム１１２により、ロボット１の最大リーチ半径に対する最小旋回半径の比率を低減できるため、ロボット１単体の可動範囲の拡大が図れるとともに、上述した複数のロボット間の共通エリアを拡大できる。

＜変形例＞
上記の実施形態における共通エリアＥｃ(図６)については、図５に示すロボット１と同様の構成を有する２台のロボットにおいてそれらの可動範囲が重なるエリアとして規定されるのは必須でなく、図５に示すロボット１の可動範囲と、ロボット１と異なる構成を有するロボット、例えば図１２に示す従来型の他のロボット５の可動範囲とが重なるエリアとして規定されても良い。

本発明の実施形態に係る産業用ロボット１を有する組立装置１００の要部構成を示す正面図である。作業台ＷＤを上方から見た平面図である。トレイ３に載置される部品等の様子を示す斜視図である。組立用治具４Ａ、４Ｂおよび治具ホルダ４０の例を示す斜視図である。ロボット１の要部構成を示す斜視図である。ロボット間の共通エリアについて説明するための図である。ロボット間の共通エリアについて説明するための図である。ロボット１の最小旋回半径を説明するための図である。ロボット１の最小旋回半径を説明するための図である。アーム全長に対する最小旋回半径の割合が最低となる第１アーム１１１および第２アーム１１２の比率を求めた結果を示す図である。アーム全長に対する最小旋回半径の割合が最低となる第１アーム１１１および第２アーム１１２の比率を求めた結果を示す図である。本発明の従来技術に係る水平多関節ロボット５を示す斜視図である。

符号の説明

１ロボット
５従来型のロボット
１１、５１アーム部
１１１、５１１第１アーム
１１２、５１２第２アーム
Ｄ１第２関節回転半径
Ｄ２第３関節回転半径
Ｅｃロボット間の共通エリア
Ｅｆ、Ｅｇ最小旋回エリア
Ｊ１〜Ｊ４第１〜第４関節
Ｌ１、Ｌａ第１アームの長さ
Ｌ２、Ｌｂ第２アームの長さ
Ｒａ、Ｒｂ最大リーチ半径
Ｒｆ、Ｒｇ最小旋回半径
ＷＤ作業台
θ 第２関節の回転角度

Claims

所定の産業用ロボットとして構成される２台のロボットを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、
前記所定の産業用ロボットは、
(a)ベース部と、
(b)前記ベース部に第１の水平関節を介して接続する第１アームと、
(c)前記第１アームに第２の水平関節を介して接続する第２アームと、
を備え、
前記第２アームは、前記第１アームより長く、
前記第１アームと前記第２アームとに関する合計長のうち前記第２アームの比率は、５５％以上６５％以下であり、
前記第１アームと前記第２アームとを伸ばした伸張状態から、前記第１アームと前記第２アームとを前記第２の水平関節で折り畳んだ屈曲状態への前記第２の水平関節の回転限界が１２８°以上１５８°以下であることを特徴とし、
前記作業台上には、前記２台のロボットの可動範囲が重なる共通可動範囲が規定されており、前記２台のロボットそれぞれの前記屈曲状態における最小旋回範囲が、前記共通可動範囲に干渉しないことを特徴とする組立装置。
所定の産業用ロボットとして構成される１台のロボットと、前記１台のロボットと異なる構成を有する他のロボットとからなる２台のロボットを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、
前記所定の産業用ロボットは、
(a)ベース部と、
(b)前記ベース部に第１の水平関節を介して接続する第１アームと、
(c)前記第１アームに第２の水平関節を介して接続する第２アームと、
を備え、
前記第２アームは、前記第１アームより長く、
前記第１アームと前記第２アームとに関する合計長のうち前記第２アームの比率は、５５％以上６５％以下であり、
前記第１アームと前記第２アームとを伸ばした伸張状態から、前記第１アームと前記第２アームとを前記第２の水平関節で折り畳んだ屈曲状態への前記第２の水平関節の回転限界が１２８°以上１５８°以下であることを特徴とし、
前記作業台上には、前記１台のロボットの可動範囲と前記他のロボットの可動範囲とが重なる共通可動範囲が規定されており、前記１台のロボット及び前記他のロボットそれぞれの前記屈曲状態における最小旋回範囲が、前記共通可動範囲に干渉しないことを特徴とする組立装置。
請求項１または請求項２に記載の組立装置であって、
前記２台のロボットそれぞれの旋回中心点を結ぶ直線上において、前記２台のロボットのうち一方のロボット及び他方のロボットから最も遠くなる点が前記一方のロボットの最遠点及び他方のロボットの最遠点として規定され、
前記一方のロボットの最小旋回半径上に前記他方のロボットの最遠点を配置させるとともに、前記他方のロボットの最小旋回半径上に前記一方のロボットの最遠点を配置させることを特徴する組立装置。
請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の組立装置であって、
前記所定の産業用ロボットは、水平多関節ロボットとして構成されていることを特徴とする組立装置。