JP6182064B2

JP6182064B2 - ロボット

Info

Publication number: JP6182064B2
Application number: JP2013269121A
Authority: JP
Inventors: 岡　威憲; 威憲岡; 学岡久
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: JP2014054727A

Description

本発明は、複数の関節を有するロボットに関する。

一般に垂直多関節型といわれるロボットの多くは、基台に設置されたアームに６軸あるいは７軸の回転関節を有し、各関節よりも先端側のアームを回転あるいは旋回させるように構成されている。
かかるロボットにおいては、アームの長さを大きく設定することで、ロボットの手先の可動範囲をより遠くに設定することができる。その一方、アームを折り畳んで基台の近辺域にロボットの手先を位置させる場合、自身のアームとの干渉を回避する必要があるため、基台の近傍はロボットの手先の可動範囲から外れることとなる。

近年、ロボットには、より複雑な動作や動作範囲が求められており、手先を基台から十分に遠くまで配置させながらも、基台のより近傍に手先を位置させて作業をすることが求められている。
この問題を解決するための技術として、特許文献１には、アームの半ばからアームの回転軸をオフセットさせる構成が開示されている。特許文献１の技術によれば、アームを折り畳んだ状態などでも自身のアーム同士の干渉を回避しながらも広い可動領域を確保することができる。

特開２００８−２７２８８３

ところで、ロボットには、より広い可動領域を確保しながらもより小型でよりコンパクトに構成することが求められている。特に、ロボットの不使用時等にはアームが略直線状になる姿勢をとり、周囲の物体と干渉する領域が最小になるようにしている。
しかしながら、特許文献１の技術のごとくアームの回転軸をオフセットさせる構成では、アームの関節部を可動させてアームを直線状としてもオフセットした分だけアームが張り出すこととなるため、ロボットの省スペース性能の向上に限界がある。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであって、可動範囲をより大きくしながらも、省スペース性能をより向上することができるようにした、ロボットを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明は次のように構成した。本願発明にかかるロボットは、設置面に設けられ、中途までは前記接地面から離れる第１の延伸向きへ延伸するとともに、前記中途よりも先端側は第２の延伸向きへ延伸するように屈曲された胴体と、前記胴体の前記先端側に該先端側の対称面について対称に設けられ、複数の関節によって連結される複数の構造材をそれぞれ有する一対のアームとを備え、前記一対のアームの各々は、基端の前記関節における回転軸同士が先側に向けて平行よりも開くように前記胴体に配置されるとともに、前記胴体を屈曲させたことによって前記胴体における前記先端側の下方に生じるスペースに前記アームの手先を到達させて作業を行う。

本願発明によれば、機械製品の組立て用途等、胴体の近傍においてロボットの動作範囲を大きくすることができ、より省スペース化を図ることができる。

本発明の第１実施形態にかかるロボットの構成を示す側面図である。本発明の第１実施形態にかかるロボットの構成を示す側面図である。本発明の第２実施形態にかかるロボットの構成を示す側面図である。本発明の第３実施形態にかかるロボットシステムの構成を示す側面図である。本発明の第３実施形態にかかるロボットシステムの構成及び可動範囲を示す上面図である。

［第１実施形態］
（全体構成）
以下、第１実施形態について図を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態にかかるロボットシステム１００は、７軸垂直多関節型のロボット１と、ロボットコントローラ２と、ロボット１とロボットコントローラ２とを連結するケーブル３とからなっている。
ロボットコントローラ２は、記憶装置，電子演算器及び入力装置（いずれも図示省略）を有するコンピュータにより構成されており、ロボット１の後述するアクチュエータとケーブル３により接続されている。ケーブル３は、ロボットコントローラ２とアクチュエータとの信号通信ラインと図示しない電源から各アクチュエータに電力を供給する給電ラインとが束ねられ被覆されている。

ロボット１は、設置面（床や天井等）１０１に固定された基台１０と、基台１０からロボット１の先端にかけて順々にアーム構造材（第１構造材）１１，アーム構造材（第２構造材）１２，アーム構造材（第３構造材）１３，アーム構造材（第４構造材）１４，アーム構造材（第５構造材）１５，アーム構造材（第６構造材）１６，フランジ（第７構造材）１７が回転関節（第１〜７関節）を介して連結されている。

より詳細に説明すると、基台１０とアーム構造材１１とは、第１アクチュエータ（第１関節）１１Ａを介して連結されており、第１アクチュエータ１１Ａの駆動により、アーム構造材１１が回転するようになっている。アーム構造材１１とアーム構造材１２とは、第２アクチュエータ（第２関節）１２Ａを介して連結されており、第２アクチュエータ１２Ａの駆動により、アーム構造材１２が旋回するようになっている。
アーム構造材１２とアーム構造材１３とは、第３アクチュエータ（第３関節）１３Ａを介して連結されており、第３アクチュエータ１３Ａの駆動により、アーム構造材１３が回転するようになっている。アーム構造材１３とアーム構造材１４とは、第４アクチュエータ（第４関節）１４Ａを介して連結されており、第４アクチュエータ１４Ａの駆動により、アーム構造材１４が旋回するようになっている。

アーム構造材１４とアーム構造材１５とは、第５アクチュエータ（第５関節）１５Ａを介して連結されており、第５アクチュエータ１５Ａの駆動により、アーム構造材１５が回転するようになっている。アーム構造材１５とアーム構造材１６とは、第６アクチュエータ（第６関節）１６Ａを介して連結されており、第６アクチュエータ１６Ａの駆動により、アーム構造材１６が旋回するようになっている。
アーム構造材１６とフランジ１７とは、第７アクチュエータ（第７関節）１７Ａを介して連結されており、第７アクチュエータ１７Ａの駆動により、フランジ１７及びフランジ１７に取り付けられるハンド等のエンドエフェクタ（図示しない）が旋回するようになっている。

また、図１に示すように、アーム構造材１３は、第３アクチュエータ１３Ａを収納する収納部２０Ａと、収納部２０Ａから図中向かって右斜め上方に延びる連通部２０Ｂと、第４アクチュエータ１４Ａを収納する収納部２０Ｃとからなり、収納部２０Ａ，収納部２０Ｃ及び連通部（オフセット箇所）２０Ｂはそれぞれ連続した内部空間を形成している。
また、アーム構造材１４は、第４アクチュエータ１４Ａを収納する収納部２１Ａと、収納部２１Ａから図中向かって左斜め上方に延びる連通部２１Ｂと、第５アクチュエータ１５Ａを収納する収納部２１Ｃとからなり、収納部２１Ａ，収納部２１Ｃ及び連通部（オフセット箇所）２１Ｂはそれぞれ連続した内部空間を形成している。
なお、第１〜７アクチュエータ１１Ａ〜１７Ａはそれぞれケーブル３を挿通可能な中空部を有する減速機一体型のサーボモータによって構成されており、それぞれケーブル３を介してロボットコントローラ２に接続されている。

各回転軸Ａ１，Ａ３，Ａ５（回転方向の回転軸という）がいずれも設置面１０１に対して垂直な方向となるロボット１の姿勢とした場合（図１の状態）、各回転軸Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ７（旋回方向の回転軸）はそれぞれ回転方向の回転軸に対して９０度の角度をなすようになっている。また、回転軸Ａ６と回転軸Ａ７とはさらに互いに９０度の角度をなるように構成されている。
第１アクチュエータ１１Ａの回転軸Ａ１と第３アクチュエータ１３Ａの回転軸Ａ３とは略同一となるようになっている。また、回転軸Ａ１及び回転軸Ａ３は第２アクチュエータ１２Ａの回転軸Ａ２と直交するように配設されている。

そして、回転軸Ａ１及び回転軸Ａ３と第４アクチュエータ１４Ａの回転軸Ａ４とは、交わることがなく、設置面１０１と水平な方向（回転軸Ａ３を基準にすると図中右方向）に長さｄ１だけオフセットしている。
また、回転軸Ａ４と第５アクチュエータ１５Ａの回転軸Ａ５とは交わることがなく、設置面１０１と水平な方向（回転軸Ａ４を基準にすると図中左方向）に長さｄ２だけオフセットしている。
したがって、回転軸Ａ３と回転軸Ａ５とは設置面１０１と水平な方向（回転軸Ａ３を基準にすると図中右方向）に長さ｜ｄ１−ｄ２｜だけオフセットすることとなる。
なお、本実施形態では長さｄ１は長さｄ２よりも大きく（即ち、ｄ１＞ｄ２）設定されている。また、アーム構造材１３の幅寸法はアーム構造材１５の幅寸法よりも大きくなっている。

また、基台１０には図示省略のケーブル導入孔が設けられており、図２に示すようにケーブル３は、基台１０の内部から第１アクチュエータ１１Ａの中空孔，アーム構造材１１，第２アクチュエータ１２Ａの中空孔，アーム構造材１２，第３アクチュエータ１３Ａの中空孔，収納部２０Ａ，連結部２０Ｂ，収納部２０Ｃ，第４アクチュエータ１４Ａの中空孔，収納部２１Ａ，連結部２１Ｂ，収納部２１Ｃ，第５アクチュエータ１５Ａの中空孔，アーム構造材１５，第６アクチュエータ１６Ａの中空孔，アーム構造材１６，第７アクチュエータ１７Ａの中空孔を経てフランジ１７に設けられた中空孔から図示しないエンドエフェクタに連結されるように配索されている。

本実施形態にかかるロボットシステム１００はこのように構成されているので、基台１あるいはアーム構造体１１の近傍にフランジ１７を位置させて作業する場合、図２に示すように、第４アクチュータ１４Ａを大きく回転させた状態では、回転軸Ａ３と回転軸Ａ５とが長さｄ１に加えて長さｄ２分（即ち、ｄ１＋ｄ２分）だけオフセットすることとなり、回転軸Ａ３と回転軸Ａ５とのオフセット量が大きくなる。このため、第４アクチュータ１４Ａを揺動させて回転軸Ａ３と回転軸Ａ５とが略平行となるような姿勢をとってもアーム構造材１３とアーム構造材１５とが接触あるいは干渉することを防止することができ、フランジ１７をより下方且つアーム構造材１１の近傍まで到達させることができる。

一方、ロボットシステム１００の待機時には、図１に示すように、回転軸Ａ１，回転軸Ａ３及び回転軸Ａ５がいずれも設置面１０１に対して垂直となるようにロボット１を動作させることで、ロボット１の設置面１０１と水平な方向への張り出しを最小にすることができる。この際、回転軸Ａ１及び回転軸Ａ３と回転軸Ａ４とのオフセット量は長さｄ１に抑えられる。

即ち、第４アクチュエータ１４Ａを屈曲させた状態では、ｄ１＋ｄ２分のオフセット量を得ることができることに加えて、待機時にはオフセット量をｄ１（ｄ１＜ｄ１＋ｄ２）とすることができ、オフセットによりフランジ１７の可動領域を大きく確保しながらも省スペース化を図ることができる。

また、ケーブル３が第３アクチュエータ１３Ａの中空孔から連結部２０Ｂで緩やかに屈曲された後、第４アクチュエータ１４Ａの中空孔を経てさらに連結部２１Ｂで緩やかに屈曲されてから第５アクチュエータ１５Ａの中空孔へと導かれているので、第４アクチュエータ１４Ａを大きく揺動させてアーム構造材１３とアーム構造材１４とのなす角度がより鋭角になった場合でも、ケーブル３の曲率は比較的緩やかに抑えられるので、ケーブル３の曲率が大きくなることに起因するケーブル３へのダメージを低減することができる。

また、本実施形態では、第５アクチュエータ１５Ａがアーム構造材１５を回転させるとともに、第６アクチュエータ１６Ａがアーム構造材１６を旋回させ、さらに第７アクチュエータ１７Ａがフランジ１７をアーム構造材１６の揺動方向とは９０度の角度をなして揺動させるように構成されているので、仮に、第７アクチュエータ１７Ａがフランジ１７を回転させる構成としたときに、回転軸Ａ５と回転軸Ａ７とが重なることにより生じる制御不能点（特異点）の存在をなくすことができる。このため、第４アクチュエータ１４Ａを屈曲させた姿勢（図２状態）にあって特異点を回避する動作を考慮する必要がなくなり、ロボット１の動作の自由度を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図３に示すように、本実施形態にかかるロボットシステム２００は、第７アクチュエータ２７Ａ及びフランジ２７の取り付け方向のみが第１実施形態のものを異なっている。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、同様のものについては同符号を用いて説明する。
本実施形態では、アーム構造材１６とフランジ２７とは、第７アクチュエータ（第７関節）２７Ａを介して連結されており、第７アクチュエータ１７Ａの駆動により、フランジ２７及びフランジ２７に取り付けられるハンド等のエンドエフェクタ（図示しない）が回転するようになっている。

本実施形態にかかるロボットシステム２００はこのように構成されているので、第１実施形態のものと比較して、第４アクチュエータ１４Ａを屈曲させた姿勢において生じる特異点を回避する必要はあるものの、第７アクチュエータ２７Ａを駆動させるだけでフランジ２７に取り付けられたエンドエフェクタを容易に回転させることができるので、エンドエフェクタを回転させる用途に適している。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図４及び図５に示すように、第１実施形態で説明したロボット１を共通の基台となる胴体に一対（２個）取り付けて構成されている点が第１実施形態のものを異なっている。従って、以下では、第１実施形態と重複する説明を適宜省略し、同様のものについては同符号を用いて説明する。
本実施形態にかかるロボットシステム３００は、設置面１０１に固定された胴体３０１に、ロボット１が２本取り付けられて構成されている。
胴体３０１は、設置面１０１に固設されたベース部３０１Ａとアクチュエータ３０１Ｃを介してベース部３０１Ａに対して旋回する旋回胴部（胴体本体）３０１Ｂとを有して構成されている。

旋回胴部３０１Ｂは、アクチュエータ３０１Ｃから斜め上方（図５中右上方向）に延び、ロボット１を一対取付け可能な開口部を有している。
アクチュエータ３０１Ｃの回転軸Ａｂとロボット１の回転軸Ａ１とは、設置面１０１と水平な方向（回転軸Ａｂを基準にすると図５中右方向）に長さｄ３だけオフセットしている。

本実施形態ではロボット１がそれぞれの第１アクチュエータ１１Ａの回転軸Ａ１が同一直線状に並ぶように旋回胴部３０１Ｂに配設されている（なお、ロボット１の配向は適宜変更可能である）。即ち、旋回胴部３０１Ｂが一対のロボット１それぞれの基台を兼ねている。また、ロボットコントローラ３０２と各ロボット１とはケーブル３０３を介して接続されており、ロボットコントローラ３０２からの指令によって各ロボット１のアクチュエータが動作するように構成されている。

本実施形態にかかるロボットシステム３００はこのように構成されているので、機械製品の組立て用途等、胴体の近傍において一対のロボット１を協業させる動作を行なう際の動作範囲を大きくすることができ、より省スペース化を図ることができる。
また、旋回胴部３０１Ｂが斜め上方に延び一対のロボット１が取り付けられているので、回転軸Ａｂと回転軸Ａ１とがオフセットしている分、アクチュエータ３０１Ｃを回転させることによって、各ロボット１のフランジ１７をより遠くまで到達させることができる。
また、ベース部３０１Ａの近傍で旋回胴部３０１Ｂの下部に生じるスペースにまで、各ロボット１の手先を到達させることができるので、旋回胴部３０１Ｂの下部のスペースを利用して作業を行なうことができ、より省スペース化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明にかかる搬送システムは上述の実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して適用可能である。
例えば、第３実施形態では、胴体に第１実施形態にかかるロボットを取り付けた例について説明したが、胴体に取り付けるロボットは第２実施形態のものとしてもよい。
また、上述の実施形態では、いずれも関節を７個有するロボットを例に説明したがロボットが備える関節は３個でもよい。例えば、第１実施形態の第３〜５アクチュエータ及び１３〜１５以外の構成を省略してロボットを構成してもよい。

１ロボット
２，３０２ロボットコントローラ
３，３０３ケーブル
１０基台
１１〜１６アーム構造材
１１Ａ〜１７Ａ，２７Ａアクチュエータ（第１〜７アクチュエータ）
１７，２７フランジ
２０Ａ，２０Ｃ，２１Ａ，２１Ｃ収納部
２０Ｂ，２１Ｂ連結部
１００，２００，３００ロボットシステム
１０１設置面
３０１胴体
３０１Ａベース部
３０１Ｂ旋回胴部
３０１Ｃアクチュエータ
Ａ１〜Ａ７，Ａｂ回転軸

Claims

設置面に設けられ、中途までは前記接地面から離れる第１の延伸向きへ延伸するとともに、前記中途よりも先端側は第２の延伸向きへ延伸するように屈曲された胴体と、
前記胴体の前記先端側に該先端側の対称面について対称に設けられ、複数の関節によって連結される複数の構造材をそれぞれ有する一対のアームと
を備え、
前記一対のアームの各々は、
基端の前記関節における回転軸同士が先側に向けて平行よりも開くように前記胴体に配置されるとともに、前記胴体を屈曲させたことによって前記胴体における前記先端側の下方に生じるスペースに前記アームの手先を到達させて作業を行うこと
を特徴とするロボット。
前記一対のアームの少なくともいずれかは、
ある関節の回転軸と次の関節の回転軸との位置が所定方向にオフセットされるとともに、前記次の関節の回転軸と次々の関節の回転軸との位置が前記所定方向とは反対方向にオフセットされること
を特徴とする請求項１に記載のロボット。
前記関節が、
第１関節から第７関節までの７つを少なくとも含むとともに、
前記構造材が、
第１構造材から第７構造材までの７つを少なくとも含むこと
を特徴とする請求項１または２に記載のロボット。