JP5177835B2

JP5177835B2 - 双腕型ロボットマニピュレータ

Info

Publication number: JP5177835B2
Application number: JP2007119264A
Authority: JP
Inventors: 雅人伊藤; 学岡久
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: JP2008272874A

Description

本発明は、物品の搬送または組立を行う双腕型ロボットマニピュレータに関する。

従来の双腕マニピュレータ装置には、２つの構成が提案されている。第１には、胴体から水平多関節アームの２本が上下に昇降可能に取り付けられた双腕ロボットである（例えば、特許文献１参照）。第２には、肩部に多関節アームを２本備えた双腕ロボット（例えば、特許文献２参照）。
第１の従来の双腕マニピュレータ装置について、図５を用いて説明する。図５に示す軸状部品嵌め込み装置は、２つのロボットアーム１０３，１０４がボディ部１０２の側面を上下に昇降可能に取付けられた双腕ロボット１０１と、該双腕ロボット１０１と配線１６１で繋がれたコントローラ内蔵の制御装置１０６、部品が組み付けられる本体部品であるバルブボディ１０７を固定するための組付け用治具１０９と、これらを載置するプレート１６２とから主に構成されている。各ロボットアーム１０３，１０４は、それぞれボディ部１０２の側面と接続する第一アーム１３１，１４１と、該第一アーム１３１，１４１に接続する第二アーム１３２，１４２と、該第二アーム１３２，１４２の先端にコンプライアンス機構１０５，１０５を介して接続する右ハンド１３３、左ハンド１４３とから構成されている。ここで、ボディ部２と第一アーム１３１，１４１との接続部、第一アーム１３１，１４１と第二アーム１３２，１４２との接続部はそれぞれ水平方向に回動可能であり、右ハンド１３３や左ハンド１４３（コンプライアンス機構１０５，１０５）は第二アーム１３２，１４２とそれぞれ回転可能に接続されている。
第２の従来の双腕マニピュレータ装置について、図６を用いて説明する。この加工搬送装置２０１は、多関節式の可動アーム２０２を一対備え、これら可動アーム２０２は旋回装置２０３を介して基台２０４に据え付けてある。各可動アーム２０２は、同一の方向（図２のＸ軸方向）を向いた回転軸２０５，２０６，２０７を中心にして回動する関節を３個備えている。これら間接で連結されたアーム片（２０８〜２１１）のうち、先端側のアーム片２０８には、例えば、加工手段としてのボルト締結装置又は保持手段としてのワーク把持装置（図示せず）が各関節の回転軸２０５，２０６，２０７と垂直な回転軸２１２回りに回動自在に取り付けられる。先端側のアーム片２０８と隣接するアーム片２０９は長手方向に２分割され、その先端部分２０９ａが長手方向の回転軸２１３を中心として回動可能に基端部分２０９ｂに連結されている。なお、以上の各回転軸２０５，２０６，２０７，２１２，２１３の駆動はモータ（図示せず）によって行なわれる。
特開２００６−０３５３４６号公報（第６頁図１）特開２００６−１０２８４７号公報（第４−５頁図１）

製品の組立や物品の搬送を行うロボットマニピュレータは、工場内に多数のロボットを配置して作業させるような大型ラインシステムや分散配置して作業を行うようなセル生産システムなどに用いられるケースが多い。これらの用途に用いられるロボットマニピュレータは、主にフットプリントを小さくする反面、作業領域を広くすることが要求されている。単にフットプリントを小さくするだけでは、ロボットマニピュレータの小型化をするだけとなり、それでは比較的大きな物品をハンドリングする作業には適さない。そのために、双腕型のロボットマニピュレータが活用されるようになってきて、作業範囲を広くするとともに同時並行で作業を進めることで作業効率を上げて製品のスループットを向上させることが行われている。
また、自動車などの組立現場では、エンジンルームの組立作業では上方からのアプローチが必要となり、バンパーの組立作業では下方へのアプローチが必要となり、上方からや下方への作業が必要なっており、広い可動領域での作業が必要とされている。
また、このような双腕型ロボットマニピュレータは、自動車製造ライン等では、多数の台数が設置され、使用されている。双腕型ロボットマニピュレータを製造する上では、単純には産業用ロボットが２台使用されるように想定されるが、単に２台のロボットマニピュレータを並べただけでは、アーム体を対称形に配置するためには右腕用の部品と左腕用の部品と種別して管理する必要があり、前述した多数の台数が設置されるような場合、ロボットマニピュレータの製造管理が煩雑になり、アーム体の部品の取り違え等を起こし、欠品となるケースも生じており、部品の共通化を図ることが製造面から要求されていた。また、ロボットマニピュレータを配置する場合、右腕または左腕をそれぞれ配置するシステム構成がある。このような場合でも、ロボットマニピュレータを製作する上で、右腕用部品、左腕用部品として、生産管理すると多数の台数を設置する場合などには、煩雑な管理が必要となり、部品の取り違えなどが生じることが想定される。
このような観点から従来の双腕型ロボットマニピュレータが提案されているが、それでも解決されていない課題がある。すなわち、従来の双腕型ロボットマニピュレータは、アームが上部または側面から物品に対してアプローチして作業するような形態となっており、アーム長を長くすると、遠くの物品にも作業できるものの、胴体部の前方に配置された物品については、胴体部が邪魔になりある程度、胴体部から離した位置の物品しか作業できないために、作業範囲を広くすることができないという問題が生じていた。さらに、右腕と左腕で共通化されていない部品があり、大量生産に向かない等の問題が生じていた。
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、マニピュレータの設置位置を変えることなく上部及び前方からのアプローチを可能にするとともに双腕の部品を共通化した双腕型ロボットマニピュレータ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記載の発明は、旋回軸上に配置された胴体と、前記胴体に備えられた厚さ方向の長さが同一である右腕および左腕と、前記右腕および前記左腕が複数の関節軸で構成された双腕型ロボットマニピュレータにおいて、前記右腕及び前記左腕はそれぞれ、第１の関節軸まわりに回転可能に前記胴体に連結された第１のアーム体と、前記第１の関節軸に直交する第２の関節軸まわりに回転可能に前記第１のアーム体に連結された第２のアーム体と、前記第２の関節軸に直交する第３の関節軸まわりに回転可能に前記第２のアーム体に連結された第３のアーム体と、前記第３の関節軸に直交する第４の関節軸まわりに回転可能に前記第３のアーム体に連結された第４のアーム体と、前記第４の関節軸に対して垂直な第５の関節軸であって前記第５の関節軸は前記第４の関節軸から所定の長さだけオフセットされており、前記第５の関節軸まわりに回転可能に前記第４のアーム体に連結された第５のアーム体と、前記第５の関節軸に直交する第６の関節軸まわりに回転可能に前記第５のアーム体に連結された第６のアーム体と、前記第６の関節軸に直交する第７の関節軸まわりに回転可能に前記第６のアーム体に連結された第７のアーム体とを有し、前記第１〜第７のアーム体は、それぞれ、前記右腕と前記左腕とで共通の形状で構成され、前記右腕と前記左腕とは、それぞれの前記第１のアーム体が、定常状態では、前記第１の関節軸まわりに１８０度ずれた角度で前記胴体に取り付けられたものである。また、前記右腕および前記左腕の第１の関節軸が前記旋回軸に対して垂直となるように前記胴体の前方に配置されたものである。
請求項２記載の発明は、定常状態において、前記第４のアーム体の胴体側の第４の関節軸と第１の関節軸が垂直であり、かつ、前記第４のアーム体の反胴体側の第５の関節軸と第１の関節軸が平行であることを特徴とする双腕型ロボットマニピュレータである。

本発明によると、右腕および左腕に用いられている部品を全て共通のアーム体で構成したことで、部品の共通化ができ、対称形にするための部品の種別を行う必要がなくなり、大量生産する際にも誤ってアーム体の取り違えを行うことなく、組立作業ができるようになり、完成品の製造までの時間を短縮することができる。
また、双腕型ロボットマニピュレータを用いたことで潜在的に要求されていた双腕で同時並行に作業を進め、作業効率を上げて製品のスループットを上げることができる点は、従来の双腕型ロボットマニピュレータ同様の効果を有している。これに加えて、双腕を胴体の前方に配置したことにより、最伸姿勢になった場合の位置を遠いところまで届くことができるようになる。つまり、胴体の横や上部に向かって腕２が伸びないので、前方へアプローチする際に無駄にアーム体を回転させる必要がなくなり、アーム体を伸張するだけで遠くの物品にアプローチすることができる。さらには、第１の関節軸が水平面内にあるので、所望の角度に回転させると、腕を上方からでも下方へも自在に設定することができ、可動範囲を広くすることが可能である。
また、アーム体の少なくとも１つを曲面形状に形成されたことで、連結されたアーム体と最縮姿勢になった際に干渉することなく、姿勢形成することができ、可動範囲を広げることができる。

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は本発明の実施例を示す双腕ロボットの平面図であり、図２は側面図である。図の上側がロボット正面である。図１において、１は双腕ロボットの胴体で、胴体１の前方から右腕２Ｒと左腕２Ｌが定常状態では設置面（本図では胴体下面に相当）に対して平行に備えられている。ここで添え字Ｒ及びＬは右及び左を示す。右腕２Ｒと左腕２Ｌは、定常状態では第４のアーム体Ｃ４が胴体１から曲面構造を有して外側にはみ出すように配置されており、自由端のアーム体Ｃ５、Ｃ６に連結されている。つまり、第４のアーム体４は、１／４円周の曲面を含むように形成されている。自由端のアーム体Ｃ６には、関節軸Ｊ７が備えられており、関節軸Ｊ７には、例えば、力センサを備えたハンド装置やねじ締め装置などが取り付けられる。
左腕２Ｌと右腕２Ｒは全て共通の部品で構成されている。共通部品で対称構造を形成するために、右腕２Ｒの第２のアーム体Ｃ２が第１の関節軸Ｊ１の上側に、第４のアーム体Ｃ４が第３の関節軸Ｊ３の下側に取り付けてあるのに対して、左腕２Ｌの第２のアーム体Ｃ２が第１の関節軸Ｊ１の下側に、第４のアーム体Ｃ４は、第３の関節軸Ｊ３の上側に取り付けられている。このようにすることで、共通部品で製作できるとともに、左腕２Ｌと右腕２Ｒの厚さを同一形状で作成されるものである。
軸構成については左腕２Ｌと右腕２Ｒともに同一の構成となっているので、図２を用いて右腕２Ｒについて説明する。Ｃ１は第１のアーム体であり、Ｃ２は第２のアーム体であり、Ｃ３は第３のアーム体であり、Ｃ４は第４のアーム体であり、Ｃ５は第５のアーム体であり、Ｃ６は第６のアーム体である。
第１のアーム体Ｃ１は水平面内に配置された第１の関節軸Ｊ１を中心に回転し、第２のアーム体Ｃ２は第１の関節軸Ｊ１に直交するように配置された第２の関節軸Ｊ２を中心に回転し、第３のアーム体Ｃ３は第２の関節軸Ｊ２に直交するように配置された第３の関節軸Ｊ３を中心に回転し、第４のアーム体Ｃ４は第３の関節軸Ｊ３に直交するように配置された第４の関節軸Ｊ４を中心に回転し、第５の第５のアーム体Ｃ５は第４の関節軸Ｊ４と直交となるように配置された関節軸Ｊ５を中心に回転し、第６のアーム体Ｃ６は第５の関節軸Ｊ５と直交するように配置された関節軸Ｊ６を中心に回転し、胴体部１は設置面に対して垂直面内に配置された旋回軸Ｊ８を中心に回転する。第１の関節軸Ｊ１と第３の関節軸Ｊ３の回転中心に対して、第５の関節軸Ｊ５と第７の関節軸Ｊ７の回転中心がオフセットした構造となっている。
本発明が従来技術と異なる部分は、第１の関節軸、第３の関節軸と第５の関節軸、第７の関節軸の回転中心がオフセットした構造となっている部分と、左腕および右腕を胴体の前方に設置し、第１の関節軸を棚置き設置した部分と、双腕を共通部品で構成した点である。

次に、図３を用いて動作について説明する。図３ａには最縮姿勢の腕の動作を示し、図３ｂに最伸姿勢の腕の動作を示す。左腕２Ｌは上方から図示しない物品へアプローチする姿勢であり、右腕２Ｒは下方へ図示しない物品へアプローチする姿勢を示している。この姿勢の場合、左腕２Ｌの第１の関節軸Ｊ１は紙面右方向から見て反時計回りに９０度回転し、各関節軸Ｊ２〜Ｊ６を所望の角度回転させることで最伸姿勢と最縮姿勢を形成している。同様に、右腕２Ｒの第１の関節軸Ｊ１は紙面右方向から見て時計回りに９０度回転し、各関節軸Ｊ２〜Ｊ６を所望の角度回転させることで最伸姿勢と最縮姿勢を形成している。
このように、第１の関節軸Ｊ１が胴体１の前方に配置されることで、所望の回転角度にすることで腕２の姿勢を自由に配置することができ、さらには最伸姿勢になった場合の位置を遠いところまで届くことができるようになる。つまり、胴体の横や上部に向かって腕２が伸びないので、前方へアプローチする際に無駄にアーム体を回転させる必要がなくなり、アーム体を伸張するだけで遠くの物品にアプローチすることができる。
また、図４に示すように第４のアーム体Ｃ４’が直線状に形成されている場合には、最縮姿勢を形成する場合に第３のアーム体Ｃ３’との干渉が生じ、形成することができない。このように第４のアーム体Ｃ４が胴体１から曲面構造を有して外側にはみ出すように配置されることで、第３のアーム体Ｃ３との干渉がなくなり、可動領域を広くすることができる。
第４のアーム体Ｃ４が胴体１から曲面構造を有して外側にはみ出すように配置された場合と、曲面構造を有しない場合を比較すると、最縮姿勢においては、長さＬだけよりアームを折りたたむことができる。つまり第４のアーム体Ｃ４が曲面構造を有して外側にはみ出すように配置されているので、第３のアーム体Ｃ３との干渉が生じることなく、最縮姿勢を形成することができるのである。一方、最伸姿勢について、第４のアーム体Ｃ４が第３のアーム体Ｃ３との干渉が生じることがないために、何れの場合にも同様な姿勢を形成することができる、
以上の通り、第４のアーム体Ｃ４が直線状に形成されている場合に対して、第４のアーム体Ｃ４が胴体１から曲面構造を有して外側にはみ出すように配置された場合は、最縮姿勢の可動領域を広くすることができるので、アーム自体の可動領域を広げることができる。
尚、ここでは、双腕型マニピュレータを具体的な実施例として説明したが、本発明の解決する課題に記載した通り、右腕用ロボットマニピュレータと左腕用ロボットマニピュレータを別個に、生産ラインに配置しても良く、その場合にも実施例で述べた胴体部を有する単腕ロボットマニピュレータを構成する。各々のロボットマニピュレータは全ての部品を共通化して製作し、生産性を向上することができる。

本発明の実施例を示す双腕型ロボットマニピュレータの上面図本発明の実施例を示す双腕型ロボットマニピュレータの側面図本発明の双腕型ロボットマニピュレータの可動範囲を示す図本発明の双腕型ロボットマニピュレータの可動範囲との比較を示す図従来の第１の双腕型ロボットマニピュレータを示す図従来の第２の双腕型ロボットマニピュレータを示す図

符号の説明

１胴体
２腕
Ｃ１第１のアーム体
Ｃ２第２のアーム体
Ｃ３第３のアーム体
Ｃ３’ オフセット構造のない第３のアーム体
Ｃ４第４のアーム体
Ｃ４’ オフセット構造のない第４のアーム体
Ｃ５第５のアーム体
Ｃ６第６のアーム体
Ｊ１第１の関節軸
Ｊ２第２の関節軸
Ｊ３第３の関節軸
Ｊ４第４の関節軸
Ｊ５第５の関節軸
Ｊ６第６の関節軸
Ｊ７第７の関節軸
Ｊ８旋回軸

Claims

旋回軸上に配置された胴体と、前記胴体に備えられた厚さ方向の長さが同一である右腕および左腕と、前記右腕および前記左腕が複数の関節軸で構成された双腕型ロボットマニピュレータにおいて、
前記右腕及び前記左腕はそれぞれ、
第１の関節軸まわりに回転可能に前記胴体に連結された第１のアーム体と、
前記第１の関節軸に直交する第２の関節軸まわりに回転可能に前記第１のアーム体に連結された第２のアーム体と、
前記第２の関節軸に直交する第３の関節軸まわりに回転可能に前記第２のアーム体に連結された第３のアーム体と、
前記第３の関節軸に直交する第４の関節軸まわりに回転可能に前記第３のアーム体に連結された第４のアーム体と、
前記第４の関節軸に対して垂直な第５の関節軸であって前記第５の関節軸は前記第４の関節軸から所定の長さだけオフセットされており、前記第５の関節軸まわりに回転可能に前記第４のアーム体に連結された第５のアーム体と、
前記第５の関節軸に直交する第６の関節軸まわりに回転可能に前記第５のアーム体に連結された第６のアーム体と、
前記第６の関節軸に直交する第７の関節軸まわりに回転可能に前記第６のアーム体に連結された第７のアーム体と、
を有し、
前記右腕および前記左腕の第１の関節軸が前記旋回軸に対して垂直となるように前記胴体の前方に配置され、
前記第１〜第７のアーム体は、それぞれ、前記右腕と前記左腕とで共通の形状で構成され、
前記右腕と前記左腕とは、定常状態では、それぞれの前記第１のアーム体が、前記第１の関節軸まわりに１８０度ずれた角度で前記胴体に取り付けられたことを特徴とする双腕型ロボットマニピュレータ。
定常状態において、前記第４のアーム体の胴体側の第４の関節軸と第１の関節軸が垂直であり、かつ、前記第４のアーム体の反胴体側の第５の関節軸と第１の関節軸が平行であることを特徴とする請求項１に記載の双腕型ロボットマニピュレータ。