JP5090871B2

JP5090871B2 - ロボット装置

Info

Publication number: JP5090871B2
Application number: JP2007305192A
Authority: JP
Inventors: 和宏埴谷
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: JP2009125893A

Description

本発明は、溶接、搬送、組立、塗装、検査等に係るロボットシステムに関し、特に、６軸多関節ロボット（以下、「６関節ロボット」という。）と７軸多関節ロボット（以下、「７関節ロボット」という。）を配置することによって、ロボットの設置密度を高めた、生産効率を向上することのできるロボットによるロボットシステムに関する。

図５は従来の７関節ロボットの構造を示す模式図である（例えば、特許文献１参照）。図において、４は固定ベースであり、第１のアーム体Ｃ１は関節軸Ｊ１を中心に回転し、第２のアーム体Ｃ２は関節軸Ｊ２を中心に回転し、第３のアーム体Ｃ３は関節軸Ｊ３を中心に回転し、第４のアーム体Ｃ４は関節軸Ｊ４を中心に回転し、第５のアーム体Ｃ５は関節軸Ｊ５を中心に回転し、第６のアーム体Ｃ６は関節軸Ｊ６を中心に回転し、第７のアーム体Ｃ７は関節軸Ｊ７を中心に回転する。
７関節ロボットは、Ｊ２及びＪ６を支点とし、Ｃ２及びＣ３、Ｃ４及びＣ５はＪ４が円弧を描く範囲で任意に姿勢をとることができる。従って、７関節ロボットは６関節と比較すると、周囲に障害物があり、それを回避しながら任意の姿勢をとることができるという利点がある。

一方、図６に示す自動車の溶接ラインにおいては、スポット溶接ロボット（６関節ロボット）６３により自動車６１のスポット溶接が行われている。自動車には構造上強度を確保するために多数のスポット溶接個所があり、生産上一定サイクルタイム毎に工程を分けて製造を行っている。そのため生産形態はライン構成が主に用いられ、スポット溶接ロボット６３はライン６２を挟んで対峙するように並べて配置されている（例えば、特許文献２参照）。
ここで、経済的な観点から、前記ラインは短いほどリードタイムが短く、かつ設置面積が削減できるため、各工程で多くのスポット溶接を行うことが求められる。
特開昭６０−２０８７６号公報（第１０頁、図１１（ｂ））特開２００３−１４５２７５号公報（第４−７頁、図１）

自動車をはじめとする生産設備においては、作業効率を上げるために６関節ロボットを多数配置する必要があるが、ある程度ロボットの数を増加させるとロボット同士の干渉が発生してしまう。そのため、ロボット設置台数に制約があった。
また、多くのスポット溶接を行うために６関節ロボットを多数工程内に投入すると、マニピュレータ同士の干渉を回避するため、隣接するマニピュレータの溶接作業が終了して退避した後に、隣接するマニピュレータが侵入して別の溶接作業を行うなどの制御を行うため、６関節ロボットの待ち時間が多く発生するようになり、サイクルタイム内での作業個所に限界があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、６関節ロボットと併用して７関節ロボットを使用することで、ロボットの設置密度を高めた、生産効率の高いロボットシステムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、固定ベースに設けられて旋回する第１のアーム体と、前記第１のアーム体に設けられた第２のアーム体と、前記第２のアーム体先端に設けられ前記第２のアーム体の長手方向の軸周りに回転する第３のアーム体と、前記第３のアーム体に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第４のアーム体と、前記第４のアーム体先端に設けられた第５のアーム体と、前記第５のアーム体先端に設けられた第６のアーム体と、から少なくとも構成された７関節ロボットと、固定ベースに設けられて旋回する第１のアーム体と、前記第１のアーム体に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第２のアーム体と、前記第２のアーム体先端に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第３のアーム体と、前記第３のアーム体先端に設けられた手首部と、から少なくとも構成された６関節ロボットと、前記７関節ロボットおよび前記６関節ロボットがワークに対し同時に作業する際に前記７関節ロボットのアーム体が動くことによって、前記７関節ロボットと前記６関節ロボットとの干渉を回避する手段と、を備え、前記７関節ロボットおよび前記６関節ロボットは、隣接して配置され、かつ、前記７関節ロボットは、前記６関節ロボットよりも、ワークが流れるライン側に配置され、前記手段は、前記７関節ロボットの第２〜第５のアーム体を回転させ、前記７関節ロボットの第１および第２のアーム体を接続する関節と前記７関節ロボットの第５および第６のアーム体を接続する関節とを支点として、前記７関節ロボットの第３および第４のアーム体を接続する関節が円弧軌跡を描くことによって、前記６関節ロボットの第２または第３のアーム体との干渉を回避し、前記７関節ロボットの第２および第３のアーム体の長手方向の合計の長さを、前記６関節ロボットの第２のアーム体の長手方向の長さよりも短くしたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記６関節ロボットおよび前記７関節ロボットは、スポット溶接ロボットであることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記６関節ロボットおよび前記７関節ロボットは、アーク溶接ロボットであることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、７関節ロボットと安価な６関節ロボットを使用することでロボット同士の密着した前後配置が可能となり生産効率を向上させた生産装置が提供できる。
また、請求項２に記載の発明によると、スポット溶接装置において７関節ロボットと安価な６関節ロボットの密着配置が可能になる。
また、請求項３に記載の発明によると、アーク溶接装置において７関節ロボットと安価な６関節ロボットの密着配置が可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のスポット溶接に係るロボットシステムの斜視図である。図中、ＸＹＺの矢印は、直交座標系を表しており、Ｚ軸はロボットの設置面に垂直である。また、黒丸は各関節を表している。図１において、１は７関節ロボットであって、固定ベース４を介して設置面に固定されている。Ｃ１は第１のアーム体、Ｃ２は第２のアーム体、Ｃ３は第３のアーム体、Ｃ４は第４のアーム体、Ｃ５は第５のアーム体、Ｃ６は第６のアーム体である。Ｃ７は第７のアーム体（エンドエフェクタ）である。エンドエフェクタにはスポット溶接ガン３が取り付けられている。
第１のアーム体Ｃ１は関節軸Ｊ１を中心に旋回し、第２のアーム体Ｃ２は関節軸Ｊ２を中心に回転する。第３のアーム体Ｃ３関節軸Ｊ３を中心に回転する。第４のアーム体Ｃ４は関節軸Ｊ４を中心に回転して上下方向に揺動する。第５のアーム体Ｃ５は関節軸Ｊ５を中心に回転する。第６のアーム体Ｃ６は関節軸Ｊ６を中心に回転する。第７のアーム体Ｃ７（エンドエフェクタ）は関節軸Ｊ７を中心に回転する。そして、Ｊ１はＺ軸に平行であり、Ｊ２はＸ軸に平行であり、Ｊ３は第２のアーム体Ｃ２の長手方向の軸に平行であり、Ｊ４はＸ軸に平行であり、Ｊ５は第４のアーム体Ｃ４の長手方向の軸に平行であり、Ｊ６はＸ軸に平行であり、Ｊ７は第６のアーム体Ｃ６の長手方向の軸に平行である。
なお、７関節ロボットにおいて、アーム体Ｃ１全体を旋回部という。また、アーム体Ｃ２を第１下腕部、アーム体Ｃ３を第２下腕部、アーム体Ｃ４を上腕部という。また、関節アーム体Ｃ５、Ｃ６で構成される部分を手首部という。

２は６関節ロボットであって、固定ベース４に固定されている。Ｃ１は第１のアーム体であり、Ｃ２は第２のアーム体であり、Ｃ４は第３のアーム体であり、Ｃ５は第４のアーム体であり、Ｃ６は第５のアーム体であり、Ｃ７は第６のアーム体（エンドエフェクタ）である。なお、６関節ロボットであるため、７関節ロボットの第３のアーム体Ｃ３（あるいは第２のアーム体Ｃ２）に相当するアーム体は存在しない。また、エンドエフェクタにはスポット溶接ガン３が取り付けられている。
第１のアーム体Ｃ１は関節軸Ｊ１を中心に旋回し、第２のアーム体Ｃ２は関節軸Ｊ２を中心に回転する。第３のアーム体Ｃ４は関節軸Ｊ４を中心に回転して上下方向に揺動する。第４のアーム体Ｃ５は、第３のアーム体Ｃ４の長手方向の軸と平行な関節軸Ｊ５を中心に回転する。第５のアーム体Ｃ６は関節軸Ｊ６を中心に回転する。第６のアーム体Ｃ７は第５のアーム体Ｃ６の長手方向の軸と平行な関節軸Ｊ７を中心に回転する。そして、Ｊ１はＺ軸に平行であり、Ｊ２はＸ軸に平行であり、Ｊ４はＸ軸に平行であり、Ｊ５は第３のアーム体Ｃ４の長手方向の軸に平行であり、Ｊ６はＸ軸に平行であり、Ｊ７は第５のアーム体Ｃ６の長手方向の軸に平行である。
なお、６関節ロボットにおいて、アーム体Ｃ１全体を旋回部という。また、アーム体Ｃ２を下腕部、アーム体Ｃ４を上腕部という。また、アーム体Ｃ５、Ｃ６で構成される部分を手首部という。

６は溶接対象物であり、たとえば自動車のボディや、パーツ部品等のスポット溶接接合が施工される対象ワークである。
７関節ロボット１と６関節ロボット２は、それぞれ溶接対象物６の方向を向いた状態で前後方向に並べて設置されている。すなわち、７関節ロボット１と６関節ロボット２それぞれのＪ１軸回転中心点を結ぶ軸がＹ軸と平行になるように、溶接対象物６の方向を向いた状態で前後方向に隣接して配置されている。

７は設置距離であって、７関節ロボット１と６関節ロボット２それぞれの関節軸Ｊ１の回転中心間の距離を指す。設置距離７は、同時に溶接作業を行う姿勢に対して、７関節ロボット１を６関節ロボットに置き換えた場合にアーム体に干渉しないように設置された設置距離以下となる。

次に、本発明のロボットシステムの動作及び利点について、図２から図４に基づいて説明する。
図２および図３は、「６関節」ロボットを２台備えたロボットシステムを示している。各図の（ａ）と（ｂ）は、それぞれ斜視図と模式図である。ここで、１は７関節ロボットであるが、関節軸Ｊ３を固定することによって６関節ロボットと等価なものとして考えることができる。つまり、説明の便宜上、図２および図３においては、７関節ロボット１のＪ３軸を用いずに６関節ロボットとして動作させて、６関節ロボットが２台設けられているものと考える。
従って、図２は、２台の６関節ロボットが、ある箇所を溶接するために必要な姿勢をとった状態を示している。図において、マニピュレータ同士の干渉は発生していない。

図３は、６関節ロボットが、それぞれ図２とは別の溶接箇所Ａ、Ｂを溶接するために必要な姿勢をとった状態を示している。
前記のように生産設備においては、経済的な観点から、各工程のサイクルタイム内で、多くのスポット溶接を行うことが求められる。そのため、マニピュレータができるだけ休まず作業することが重要である。しかし、図３は、アーム同士の干渉部分５が存在することを示しており、隣接するマニピュレータと干渉するため同時には溶接を行えない個所が存在することが分かる。
設置距離７は図２と同一であるため溶接を同時に実施するためには、設置距離７をより大きくする必要があるが、そうするとリーチが届かなくなり、工程内に設置できるマニピュレータの数を増やすことができず、結果として、リードタイムやライン長の増大を招いてしまうといえる。

図４（ａ）と図４（ｂ）は、本発明に係る、６関節ロボットと７関節ロボットを備えたロボットシステムを示す斜視図と模式図である。単純化のためＪ１とＪ２のＹ方向のオフセットを無くした模式図としている。
７関節ロボットと６関節ロボットのスポット溶接打点は、図３に示した箇所と同一のＡ、Ｂである。また、設置距離７も同一である。図３とは、７関節ロボット１が、その姿勢を姿勢０から姿勢１に変更している点のみが異なっている。
図は、７関節ロボット１がその姿勢を姿勢０から姿勢１へと変更することによって、設置距離７が同一にもかかわらず、６関節ロボット２との干渉部分５が回避できることを示している。つまり、従来の６関節ロボットのみの場合に比べて、設置密度を高めることができる。
具体的には、第２のアーム体、第３のアーム体、第４のアーム体、第５のアーム体を回転させ、Ｊ２を含むＸＹ平面とＪ１の交点及びＪ６を支点として、Ｊ４が略円弧軌跡を描くことによって、その姿勢を姿勢０から姿勢１へと変更している。

なお、７関節ロボットが姿勢２をとった状態では、６関節ロボット２との距離が大きく確保できるので、７関節ロボット１と６関節ロボット２の設置距離７を更に狭めて設置できる。そのため、さらに配置密度が高く、コストパフォーマンスが高い溶接システムを構築できる。
このように距離７は、６関節ロボットの下腕の回転中心に対して、６関節ロボットの手首方向前方に、７関節ロボットの旋回部の旋回中心が位置することが生産効率上最適な前後配置となる条件である。すなわち、図１に示すように、溶接対象物６の位置と６関節ロボットの位置が決まっている場合に、密着配置される７関節ロボットは、６関節ロボットと溶接対象物６の間に配置されることがわかる。

干渉５の発生はマニピュレータのアーム体Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ないしＣ５の長さによっても発生する。例えば図３においてアーム体Ｃ２，Ｃ３が短い場合、干渉５が回避されることは見て取れる。実施例では、７関節ロボット１のアーム体Ｃ２、Ｃ３を合計した長さを、６関節ロボット２のアーム体Ｃ２の長さよりも短く設定しているのは、前期干渉５をより回避し易いようするためである。もちろん、７関節ロボット１のアーム体Ｃ２、Ｃ３を合計した長さと、６関節ロボット２のアーム体Ｃ２の長さを同一としても干渉回避できることは明らかである。

図５に示すように、７関節ロボットの旋回部、下腕部、肘部、上腕部を回動させて干渉を回避する動作において、７関節ロボットの肩部が旋回して、６関節ロボットの肩部に干渉する場合がある。この場合、７関節ロボットと６関節ロボットのベース設置位置に高さの差を与え、干渉を回避することができる。

図５は７関節ロボットと６関節ロボットがそれぞれ１台の合計２台が前後方向に配置されているが、さらに７関節ロボットの下腕の回転中心に対して、７関節ロボットの手首方向前方に、２台目の７関節ロボットの旋回部の旋回中心が位置するように配置することも可能である。２台目の７関節ロボットで１台目の７関節ロボットの下腕または上腕との干渉を回避できるので更に生産性が向上する。

さらに、密集度を向上させるために、図５におけるＹ軸方向に２台または３台前後配置された６及び７関節ロボットを帯状に配置しても良い。

本発明の第１実施例を示す溶接システムの斜視図６関節ロボットを２台備えたロボットシステムを示す斜視図（１）６関節ロボットを２台備えたロボットシステムを示す斜視図（２）本発明の第１、第２実施例を示す斜視図７関節ロボットの構造を示す模式図自動車の溶接ラインを示す平面図

符号の説明

Ｃ１第１のアーム体
Ｃ２第２のアーム体
Ｃ３第３のアーム体
Ｃ４第４のアーム体
Ｃ５第５のアーム体
Ｃ６第６のアーム体
Ｃ７第７のアーム体（エンドエフェクタ）
Ｊ１関節軸
Ｊ２関節軸
Ｊ３関節軸
Ｊ４関節軸
Ｊ５関節軸
Ｊ６関節軸
Ｊ７関節軸
１７軸関節ロボット
２６軸関節ロボット
３スポットガン
４固定ベース
５干渉
６溶接対象物
７設置距離

Claims

固定ベースに設けられて旋回する第１のアーム体と、前記第１のアーム体に設けられた第２のアーム体と、前記第２のアーム体先端に設けられ前記第２のアーム体の長手方向の軸周りに回転する第３のアーム体と、前記第３のアーム体に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第４のアーム体と、前記第４のアーム体先端に設けられた第５のアーム体と、前記第５のアーム体先端に設けられた第６のアーム体と、から少なくとも構成された７関節ロボットと、
固定ベースに設けられて旋回する第１のアーム体と、前記第１のアーム体に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第２のアーム体と、前記第２のアーム体先端に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第３のアーム体と、前記第３のアーム体先端に設けられた手首部と、から少なくとも構成された６関節ロボットと、
前記７関節ロボットおよび前記６関節ロボットがワークに対し同時に作業する際に前記７関節ロボットのアーム体が動くことによって、前記７関節ロボットと前記６関節ロボットとの干渉を回避する手段と、を備え、
前記７関節ロボットおよび前記６関節ロボットは、隣接して配置され、かつ、前記７関節ロボットは、前記６関節ロボットよりも、前記ワークが流れるライン側に配置され、
前記手段は、前記７関節ロボットの第２〜第５のアーム体を回転させ、前記７関節ロボットの第１および第２のアーム体を接続する関節と前記７関節ロボットの第５および第６のアーム体を接続する関節とを支点として、前記７関節ロボットの第３および第４のアーム体を接続する関節が円弧軌跡を描くことによって、前記６関節ロボットの第２または第３のアーム体との干渉を回避し、
前記７関節ロボットの第２および第３のアーム体の長手方向の合計の長さを、前記６関節ロボットの第２のアーム体の長手方向の長さよりも短くしたことを特徴とするロボットシステム。
前記６関節ロボットおよび前記７関節ロボットは、スポット溶接ロボットであることを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
前記６関節ロボットおよび前記７関節ロボットは、アーク溶接ロボットであることを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
前記７関節ロボットおよび前記６関節ロボットは、各々の設置面に対し垂直な第１方向および前記ラインと平行な第２方向それぞれに対して垂直な方向である第３方向に沿って、前記ライン、前記７関節ロボット、前記６関節ロボットの順で並ぶように配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットシステム。