JP6719956B2 - 双腕型作動装置 - Google Patents
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Description
・先端に搭載するエンドエフェクタの姿勢を少し変更する場合や直線移動する場合、複数のモータを協調させて駆動する必要があり、木目細かい作業を高速に行うことができない。
・エンドエフェクタの姿勢を少し変更するだけの場合でも、手首関節(エンドエフェクタに近い関節)だけでなく腕(エンドエフェクタから離れた部位)の移動量が大きくなってしまうため、作業装置の一部が周囲のものと接触し易い。接触を完全に避けるためには、大きな囲いを設ける必要があり、専有面積が広くなる。
・エンドエフェクタの1つの姿勢に対して複数の解が存在する場合があり、教示を行う際に各軸を動かしても先端がどのような方向に移動するかイメージし難い。このため、操作を行うには知識や経験が必要である。
・可動範囲が広いため、人や物との接触を想定して安全機能を充実させる必要があり、装置全体が高価になる。
・人や物との接触を避けるために、動作速度を落として作業を行ったり、動作範囲で能力以下に抑えて作業を行ったりする必要があり、能力を十分に発揮できない。
・安全機能が充実されていても、作業者は作業装置と接触することに対して抵抗があり、人と作業装置が共存することが難しい。
・各アームの可動範囲が広いため、アーム同士が干渉する領域も広い。アーム同士が接触しないように動作を行うには知識や経験が必要である。
・可動範囲が広いアームを2つ有するため、囲いを設ける場合にはさらに専有面積が広くなる。
この発明の他の目的は、人が両手で行うような作業が可能な双腕型の作動装置を提供することである。
・組立て作業のような木目細かい作業を行う場合、主に回転ユニットだけを動かして作業を行うことができる。そのため、直動ユニットの動作量が小さくて済み、装置全体の可動範囲を小さくでき、安全である。また、囲い等の安全措置を講じる必要のある面積を狭くできる。
・可動範囲に大きく影響する部分に直動アクチュエータを使用しているため、作業内容や周囲の環境に応じて、メカストッパやリミットセンサを用いて容易に動作範囲を制限できる。
・直動ユニットと回転ユニットを別々に設けているため、作業装置を仕様変更する場合にどちらかのユニットのみを変更することが可能である。これにより、仕様が異なる作業装置間での部品の共通化を図れる。
・直動アクチュエータによってエンドエフェクタの位置を決めるので、エンドエフェクタの直線動作を高速かつ正確に行うことができる。
・直方体等の簡単な形状で安全カバー等の囲いを設置することができる。その場合、囲いの内部空間体積と装置の可動部が移動する領域の体積とがほぼ等しい。このため、安全装置を含めてもコンパクトな構成を実現できる。
各直動アクチュエータのステージを作業空間に対して外側を向くように配置することで、作業空間を広くするだけでなく、作業空間内に手を入れた場合等の安全性が高まる。
なお、基端側のリンクハブの中心軸は、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記基端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を基端側の球面リンク中心と称する場合に、この基端側の球面リンク中心を通り前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線のことである。また、先端側のリンクハブの中心軸は、前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記先端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を先端側の球面リンク中心と称する場合に、この先端側の球面リンク中心を通り前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線のことである。
このように、リンク作動装置の基端側に他の回転機構を配置し、かつ先端側にエンドエフェクタを配置した場合、リンク作動装置の姿勢制御用アクチュエータ等のためのケーブルについて考慮する必要があるため、回転角は制限されるが、リンク作動装置の負荷を軽減できるため、リンク作動装置のコンパクト化、軽量化を実現できる。
リンク作動装置は、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合に、基端側と先端側は同じ回転角になって等速で回転する等速自在継手の構成であるため、リンク作動装置と他の回転機構との協調制御により、エンドエフェクトの姿勢を前記先端側のリンクハブの中心軸周りの角度だけ変えながら行う作業が容易である。
この場合、回転ユニットがコンパクトな構成になる。
この場合、他の回転機構の配線用孔に配線を通すことにより、リンク機構と干渉させることなくリンク作動装置の内部空間側からエンドエフェクタに配線を繋げることができる。
この場合、作業内容や周囲の環境に応じて装置構成を容易に変更することができる。
作業装置を2つ並べた双腕型とすることで、人が両手で行うような作業が可能となる。これにより、人の代わりとなる作業、特に部品の組立てのような作業を行うことができる。
この構成であると、作業装置の下を作業対象の部品を通過させることができる。例えば、コンベアライン上に作業装置を設置することができる。また、作業装置の幅方向の可動範囲を架台の幅方向内に制限することができるため、作業装置の占有面積が小さくて済む。さらに、作業装置の可動範囲が制限されるため、作業者が作業装置の横に居ても安心して作業することができる。
前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記基端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点が基端側の球面リンク中心と称され、この基端側の球面リンク中心を通り前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線が基端側のリンクハブの中心軸と称され、かつ前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記先端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点が先端側の球面リンク中心と称され、この先端側の球面リンク中心を通り前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線が先端側のリンクハブの中心軸と称される場合、前記基端側のリンクハブの中心軸または前記先端側のリンクハブの中心軸と、前記リンク作動装置以外の他の回転機構の回転軸心とが同一線上に位置する作業装置であり、この作業装置が、互いに幾何学的に対称となるように2つ並べて配置されたため、細かい作業を行うときの装置全体の動作量が小さくて済み、動作の安全性が高く、人と共存することができ、人が行う手作業に近い作業を自動で行うことができる。
図1〜図3は、この発明の一実施形態に係る作業装置を示す。図1に概略構成を示すように、この作業装置1は、架台2と、この架台2に基部を固定して設置された直動ユニット3と、この直動ユニット3の出力部に基部を固定して設置された回転ユニット4と、この回転ユニット4の出力部に搭載されたエンドエフェクタ5とを備える。エンドエフェクタ5は、ワーク載置台6の上に載置されたワーク7に対して作業を行う。エンドエフェクタ5は、ワーク7に対して接触して作業を行うものであってもよく、被接触で作業を行うものであってもよい。エンドエフェクタ5によるワーク7に対する作業は、作業空間Sの範囲内で可能である。
なお、架台2に固定される前記直動ユニット3の基部は第1の直動アクチュエータ11のうち進退しない部分のことであり、回転ユニット4の基部が固定される前記直動ユニット3の出力部は第3の直動アクチュエータ13のステージ13aのことである。
なお、直動ユニット3の出力部に固定される前記回転ユニット4の基部は回転ユニット取付部材20のことであり、エンドエフェクタ5が取り付けられる前記回転ユニット4の出力部は第3の回転機構23の回転部分23aのことである。
回転ユニット取付部材20には、前記ねじ孔14,15に対応する一直線に並ぶ3つのボルト挿通孔(図示せず)と、前記位置決め孔16に対応する2つの位置決め用突起(図示せず)とが設けられている。
この構成によると、主に3自由度の直動ユニット3によってエンドエフェクタ5の位置が決められ、かつ3自由度の回転ユニット4によってエンドエフェクタ5の姿勢が決められる。直動ユニット3の各直動アクチュエータ11,12,13および回転ユニット4の各回転機構21,22,23が、直交座標系で表現されるエンドエフェクタ5の位置、姿勢に対応するため、エンドエフェクタ5の位置、姿勢に対する各直動アクチュエータ11,12,13および各回転機構11,12,13の動作をイメージし易く、姿勢教示作業等の動作パターンの設定が容易である。また、エンドエフェクタ5の位置、姿勢に対して、各直動アクチュエータ11,12,13の動作位置および各回転機構21,22,23の動作角度が一意に決まる。つまり、特異点を持たない。これらのことから、教示を行う際に、各軸を動かすと先端がどのような方向に移動するかをイメージしやすい。そのため、熟練した知識や経験が無くても、作業装置1の操作を行うことができる。
条件1:各リンク機構34におけるリンクハブ32,33と端部リンク部材35,36との回転対偶の中心軸O1の角度および長さが互いに等しい。
条件2:リンクハブ32,33と端部リンク部材35,36との回転対偶の中心軸O1および端部リンク部材35,36と中央リンク部材37との回転対偶の中心軸O2が、基端側および先端側において球面リンク中心PA,PBで交差する。
条件3:基端側の端部リンク部材35と先端側の端部リンク部材36の幾何学的形状が等しい。
条件4:中央リンク部材37における基端側部分と先端側部分の幾何学的形状が等しい。
条件5:中央リンク部材37の対称面に対して、中央リンク部材37と端部リンク部材35,36との角度位置関係が基端側と先端側とで同じである。
2つの作業装置1,1が門型の架台2Aに設置されていると、作業装置1,1の下を作業対象のワーク7を通過させることができる。例えば、ワーク載置台6を図15における紙面と直交する方向にワーク7を搬送可能なコンベア装置とし、そのコンベアライン上に作業装置1,1を設置することができる。また、作業装置1,1の幅方向の可動範囲を架台2Aの幅方向内に制限することができるため、作業装置1,1の占有面積が小さくて済む。さらに、作業装置1,1の可動範囲が制限されるため、作業者が作業装置1,1の横に居ても安心して作業することができる。
図18は、直動ユニット3,3の別の形態を示す平面図である。これらの直動ユニット3,3は、第1の直動アクチュエータ11および第2の直動アクチュータ12の各モータ11b,12bが直動アクチュエータ11,12の中心軸からずらして配置されており、モータ11b,12bの回転がチェーン等の動力伝達手段121を介して直動アクチュエータ11,12の駆動部へ伝達されるようになっている。
双腕型作業装置120の仕様に応じて、直動ユニット3を図17の形態または図18の形態に変更することが可能である。直動ユニット3と回転ユニット4が別々に設けられているため、上記の形態の変更が容易である。
2…架台
2A…門形の架台
3…直動ユニット
4…回転ユニット
5…エンドエフェクタ
11…第1の直動アクチュエータ
11a…ステージ
12…第2の直動アクチュエータ
12a…ステージ
13…第3の直動アクチュエータ
13a…ステージ(直動ユニットの出力部)
20…回転ユニット取付部材(回転ユニットの基部)
21…第1の回転機構
22…第2の回転機構
23…第3の回転機構
23a…ステージ(回転ユニットの出力部)
29…リンク作動装置
31…姿勢制御用アクチュエータ
32…基端側のリンクハブ
33…先端側のリンクハブ
34…リンク機構
35…基端側の端部リンク部材
36…先端側の端部リンク部材
37…中央リンク部材
100,101,102,112,113…配線用孔
120…双腕型作業装置
O1…リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸
O2…端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶の中心軸
PA,PB…球面リンク中心
QA,QB…リンクハブの中心軸
S…作業空間
Claims (7)
- エンドエフェクタを用いて作業を行う6自由度の作業装置であって、3つの直動アクチュエータを組み合わせた3自由度の直動ユニットと、1自由度以上の回転自由度を持つ複数の回転機構を組み合わせた3自由度の回転ユニットとを備え、前記直動ユニットは基部を架台に固定して設置され、前記回転ユニットの基部が前記直動ユニットの出力部に固定して設置され、かつ前記回転ユニットの出力部に前記エンドエフェクタが搭載され、
前記回転ユニットは前記複数の回転機構のうちの少なくとも1つが2自由度のリンク作動装置であり、このリンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記3組以上のリンク機構のうちの2組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用アクチュエータが設けられ、
前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記基端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点が基端側の球面リンク中心と称され、この基端側の球面リンク中心を通り前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線が基端側のリンクハブの中心軸と称され、かつ前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記先端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点が先端側の球面リンク中心と称され、この先端側の球面リンク中心を通り前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線が先端側のリンクハブの中心軸と称される場合、前記基端側のリンクハブの中心軸または前記先端側のリンクハブの中心軸と、前記リンク作動装置以外の他の回転機構の回転軸心とが同一線上に位置する作業装置であり、この作業装置が、互いに幾何学的に対称となるように2つ並べて配置された双腕型作業装置。 - 請求項1に記載の双腕型作業装置において、前記直動ユニットの前記各直動アクチュエータは、それぞれの進退部分からなるステージが、前記エンドエフェクタによって作業が行われる作業空間に対して外側を向くように配置されている双腕型作業装置。
- 請求項1または請求項2に記載の双腕型作業装置において、前記リンク作動装置の前記基端側のリンクハブに前記他の回転機構の回転部分が直接または間接に結合され、前記リンク作動装置の前記先端側のリンクハブに前記エンドエフェクタが搭載される双腕型作業装置。
- 請求項3に記載の双腕型作業装置において、前記リンク作動装置の前記2つ以上の姿勢制御用アクチュエータはロータリアクチュエータであって、その回転出力軸が前記基端側のリンクハブの中心軸と平行となるように仮想の円周上に配置され、前記回転出力軸の回転駆動力が軸直交型の減速機を介して前記リンク機構に伝達される構成であり、前記各姿勢制御用アクチュエータの並びの中心部に前記他の回転機構が配置された双腕型作業装置。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の双腕型作業装置において、前記他の回転機構は、少なくとも回転する部分に軸方向に貫通する配線用孔を有する双腕型作業装置。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の双腕型作業装置において、前記直動ユニットの前記出力部に対する前記回転ユニットの前記基部の取付角度が変更可能である双腕型作業装置。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の双腕型作業装置において、前記2つの作業装置が門型の架台に設置された双腕型作業装置。
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