JP6677441B2 - ロボット、ロボットの形状設計方法 - Google Patents
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Description
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外形の大型化を招くこと無く、本質安全を実現することができるロボット、ロボットの形状設計方法を提供することにある。
このとき、衝突予想部位が衝突する可能性のある被衝突部位として指を想定し、衝突予想部位はその形状が曲率半径Rとなる曲面状に形成されており、その曲率半径Rを、駆動部が最大推力で可動部を駆動して衝突予想部位が人体に押し付けられる際の押付力をFとし、指の断面形状を幅Wfの四角形状でモデル化し、その指の圧縮係数をkとし、規定されている圧力の安全基準の最大値をPsとした場合、次の(1)式を満たす範囲としている。
図1(A)に示すように、本実施形態の対象となるロボット1は、いわゆる直角座標ロボットであり、周知のように、ロボット1に取り付けられるチャック2(図1(B)参照。ハンド、ツール等とも称される)の位置を三次元で位置決め可能に構成されている。このロボット1は、コントローラ3(図1(B)参照)によってその移動やチャック2の動作が制御される。なお、図1(A)は直角座標ロボットの代表的な構成を例示しているのであって、本発明を適用することができるロボットは、図1(A)に例示したものに限定されるわけではない。
X軸移動ユニット15は、概ね四角柱状で中空に形成され、Yベース10に直交する方向に延びるXベース16を有している。このXベース16は、可動部の外形を形成する構造体(フレーム)に相当する。以下、Xベース16の延びる向きを便宜的にX軸方向と称する。Xベース16の内部には、複数のプーリとそれらを連結するベルトとが設けられており、それらがX軸モータ18(図1(B)参照)により駆動されることで支持板17が移動し、それに伴って支持板17に固定されているX軸移動ユニット15も移動する。このX軸モータ18は、Xベース16の端部に設けられているXモータケース19に収容されている。このXモータケース19は、可動部の外形を形成する構造体に相当する。
ロボット1は、上記したような衝突や挟み込み等の衝突リスクが存在しているため、ロボット1の本質安全を実現するにあたって、人体に対して許容される押付力、衝撃力、圧力の基準値(安全基準値に相当する)、ならびに、それらに付随する人体特性である圧縮係数が国際規格によって人体の部位毎に規定されている。これらの安全基準値のうち、押付力、衝撃力に関しては、計算および測定により規定されているが、圧力に関しては、理論化手段が確立されておらず、また、測定も困難であることから、推定値が規定されている。
そこで、本実施形態では、圧力をロボット1の設計値へ落とし込むための手法を確立させている。換言すると、圧力の安全基準値を満たしたロボット1を設計するための形状設計方法を確立させている。
図3は、ロボット1と人の指をモデル化したものであり、ロボット1を衝突予想部位M1、指を被衝突部位M2として示している。衝突予想部位M1は、モータ推力Fm[N]のモータにより駆動され、衝突速度V[m/sec]、慣性質量M[kg]としてモデル化されている。この衝突予想部位M1は、人体に衝突する可能性のある部位であるロボット1の可動部の外形、例えば概ね四角柱状に形成されているXベース16やZベース23の角部、モータケースの角部等が当てはまる。
さて、被衝突部位M2に加わる圧力を求めるには、衝突予想部位M1が衝突したときの押付力を求める必要がある。この、押付力F[N]は、周知のように、モータトルクや電流制限割合等の電気的な仕様や、プーリ径やリードといったボールねじの機械的な仕様から算出することができる。この場合、トルクの最大値を用いれば、対象となるロボット1において最大となる押付力Fを求めることができる。押付力Fは、その最大値が上記した国際規格を満たしていることが求められる。
図4(A)は、衝突予想部位M1が衝突して、被衝突部位M2が衝突予想部位M1により押し付けられている状態を、指の側面から視たものとして模式的に示している。この衝突予想部位M1は、例えばZベース23の下端等が想定される。
衝突予想部位M1は、その曲率半径がRとなるように形成されている。なお、この曲率半径Rを求めること、つまり、衝突予想部位M1に相当する可動部の形状(特に、その外形の形状)を決定する設計方法を提供することが、本実施形態の目的である。
そして、接触面積Sが求まれば、圧力P[N/mm2]は、以下の(3)式のように求めることができる。
モデルBの場合、図5(B)に示すように、被衝突部位M2として直径Rfの断面が概ね円形のモデルを想定している。なお、Cfは、被衝突部位M2の中心位置を模式的に示している。このとき、図5(A)に示すように衝突予想部位M1が衝突して被衝突部位M2が変形したとする。
このとき、上記したモデルAと同様にもぐり量d、接触幅Wc、接触面積S等を数学的に求めることで、指が円形であるとした場合における圧力Pは、以下の(4)式により求めることができる。
ロボット1は、可動部のうち移動中に人体に衝突する可能性がある衝突予想部位M1を、モータにより最大推力で駆動されて人体に衝突した際に人体(被衝突部位M2)に加える圧力が、人体に対して予め規定されている圧力の安全基準を満たす形状としている。これにより、例えばXベース16の外縁部等の衝突予想部位M1が万が一人体に衝突したとしても、人体に加えられる圧力の安全基準値を超えることがない。したがって、ロボット1において本質安全を実現することができる。
また、衝突予想部位M1として角部を対象とすることで、過度の大型化を防止することができる。ロボット1のような直角座標ロボットの場合、内部にプーリやベルトを収容する空間が必要となる。その場合、例えばXベース16を円柱状に形成すると、四角柱状の場合に比べると外形が大きくなってしまう。そのため、角部を対象とすることで、必要以上の大型化を招くこと無く、安全性を確保することができる。
そして、例えば二の腕等の他の部位の場合には指よりも安全基準値が相対的に高く規定されているので、指の安全基準値を満たしていれば、自ずと他の部位についても安全基準を満たすことができる。
本発明は上記した実施形態で例示した構成に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で任意に変形、組み合わせ、拡張することができる。
実施形態では例えばXベース16やZベース23の角部等、ロボット1の構造体(フレーム)そのものの形状で圧力を緩和させる構成としたが、可動部に、その外形を変更するカバー部材を設けてもよい。つまり、本発明において可動部の外形を形成する構造体とは、でXベース等のフレームの他に、可動部に取り付けてその外形を変更するものも含んでいる。この場合、カバー部材は、あくまでも可動部の外形を変更するものであり、前述のクッション材等とは異なり、カバー部材は、衝撃を緩和する材料等で形成しなくてもよい。クッション材等は、材料で衝撃を吸収あるいは緩和することから、どうしても厚くなり、可動部の外形が大きくなって作業領域Gの縮小等を招くことになる。
Claims (2)
- 可動部と、前記可動部を駆動する駆動部と、を備えたロボットであって、
前記可動部の外形を形成する構造体であって移動中に人体に衝突する可能性がある衝突予想部位を、前記駆動部により最大推力で当該可動部が駆動されて人体に衝突した際に人体に加える圧力が、人体に対して予め規定されている圧力の安全基準値を下回る形状とする際、
前記衝突予想部位が衝突する可能性のある被衝突部位として指を想定し、
前記衝突予想部位を、その形状が曲率半径Rとなる曲面状に形成し、
前記衝突予想部位の曲率半径Rを、前記駆動部が最大推力で前記可動部を駆動して前記衝突予想部位を人体に押し付ける際の押付力をFとし、指の断面形状を幅Wfの四角形状でモデル化し、その指の圧縮係数をkとし、規定されている圧力の安全基準の最大値をPsとした場合、次の(1)式を満たす範囲としたことを特徴とするロボット。
- 可動部と、前記可動部を駆動する駆動部と、を備えたロボットにおいて、
前記可動部において移動中に人体に衝突する可能性がある衝突予想部位を、前記駆動部により最大推力で当該可動部が駆動されて人体に衝突した際に人体に加える圧力が、人体に対して予め規定されている圧力の安全基準値を下回る形状に設計する際、
前記衝突予想部位が衝突する可能性のある被衝突部位として指を想定し、
前記衝突予想部位を、その形状が曲率半径Rとなる曲面状に形成し、
前記衝突予想部位の曲率半径Rを、前記駆動部が最大推力で前記可動部を駆動して前記衝突予想部位を人体に押し付ける際の押付力をFとし、指の断面形状を幅Wfの四角形状でモデル化し、その指の圧縮係数をkとし、規定されている圧力の安全基準の最大値をPsとした場合、次の(1)式を満たす範囲とすることを特徴とするロボットの形状設計方法。
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