JP7286531B2 - 多軸ロボットおよびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ワークの形状に沿って移動しながら所定の作業を行う多軸ロボットおよびこれに用いられる作業ツールに関する。
多軸ロボットに用いられる作業ツールとして、下記特許文献1のものが知られている。この特許文献1に記載の作業ツールは、ワークにシール材を塗布する等の作業を行うためのものであり、複数の動作自由度を有する多軸ロボット(産業用ロボット)の先端のロボット手首に取り付けられる。この作業ツールは、ロボット手首に固定されたハウジングと、ハウジング内に設けられたモータと、モータの回転に応じてハウジングの下端から進退可能に突出するボールねじ機構と、ボールねじ機構の下端部に結合されたツールアームとを備える。ツールアームは、ボールねじ機構の下端部にピンを介して結合された短めの副アームと、副アームの端部から下方に延びる長めの主アームとを有し、全体としてL字状に形成されている。副アームと主アームとの接続部は、ハウジングの下端に設けられたアームホルダにピンを介して軸支されている。
上記のような構造の特許文献1の作業ツールによれば、モータの回転に応じてボールねじ機構をハウジングに対し進退させることにより、L字状のツールアームを所定角度に亘って揺動させることができる。このツールアームの揺動は、動作自由度の拡大につながり、ワークと作業ツールとの干渉防止等に役立つとされている。
特開平4-159095号公報
しかしながら、上記特許文献1では、L字状の一定の形状を有するツールアームがロボット手首に対し揺動されるしくみであるため、ワークとの干渉防止につながる可能性が十分に高くないという問題があった。すなわち、上記特許文献1の作業ツールは、特定の形状のワークに対する作業時には干渉を避けることが可能なものの、形状が異なる他のワークに対して使用する際には、ツールアームをどの位置に揺動させても干渉が避けられないことがあり得る。このような場合には、例えばツールアーム自体を他の形状のものに交換する必要が生じ、当該交換に要する時間の分だけ作業効率が悪化してしまう。言い換えると、上記特許文献1の技術では、種々のワークに対する作業を同一の作業ツールを用いて効率よく行えないという問題があった。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、形状の異なる種々のワークに対し当該ワークとの干渉を避けながら効率よく作業を行うことが可能な作業ツールおよびこれを備えた多軸ロボットを提供することを目的とする。
前記課題を解決するためのものとして、本願の第1の発明は、ワークの形状に沿って移動しながら所定の作業を行う多軸ロボットであって、ヘッド部および当該ヘッド部を3次元的に移動させる移動機構を含むロボット本体と、前記ヘッド部に取り付けられる作業ツールとを備え、前記作業ツールは、前記ヘッド部に軸支された第1リンクと、前記第1リンクの先端部に軸支された第2リンクと、前記ヘッド部の中心軸に対する前記第1リンクの角度である第1角度を変更可能な第1可変機構と、前記第1リンクに対する前記第2リンクの角度である第2角度を変更可能な第2可変機構とを有する、ことを特徴とするものである。
この第1の発明によれば、第1角度および第2角度を変更可能な2自由度を有する作業ツールがロボット本体のヘッド部に取り付けられるので、第1角度および第2角度の両方をワークの形状に合わせて調整することにより、作業ツールとワークとの干渉を避けつつ連続した作業を行える区間を可及的に長く確保することができ、種々のワークに対する作業効率を高めることができる。
好ましくは、前記多軸ロボットは、前記移動機構、前記第1可変機構、および前記第2可変機構を制御する制御器をさらに備え、前記制御器は、前記第2リンクの先端を前記ワークの初期作業位置に移動させる第1の制御と、前記第2リンクの先端が前記初期作業位置に到達する前に前記第1角度および前記第2角度を所定の角度に調整する第2の制御と、前記第1角度および前記第2角度を固定したまま前記第2リンクの先端を前記初期作業位置から前記ワークの形状に沿って移動させる第3の制御とを実行可能である。
この構成によれば、作業ツールが初期作業位置に移動した後は第1角度および第2角度を変更する必要がなく、ロボット本体の駆動制御によりヘッド部のみをワークの形状に沿って移動させればよいので、第2リンクの先端の位置精度を良好に確保しながら効率よく作業を行うことができる。
前記ワークは、ベース面とこれに交差する交差面とにより規定されるコーナ部を有したものとすることができる。この場合、前記第2の制御による調整後の前記第1角度および前記第2角度は、前記コーナ部に対し前記第2リンクの先端が斜め外方から接近し、かつ前記第1リンクが前記第2リンクに対し前記交差面に近づく側に折れ曲がるような角度であることが好ましい。
この構成によれば、ヘッド部の中心軸に沿った方向視において、ヘッド部の中心を作業部位であるコーナ部に近づけることができ、第2リンクの先端をコーナ部に沿って移動させる際の制御性を高めることができる。また、円弧状を呈するコーナ部に対し作業を行う場合には、第2リンクの先端をコーナ部に沿って移動させるためのヘッド部の移動距離を短縮することができ、作業効率を高めることができる。
好ましくは、前記制御器は、前記ヘッド部の中心軸を延ばした延長線が前記第2リンクの先端に略一致する状態で前記第3の制御を実行する。
この構成によれば、コーナ部等の作業部位との関係でヘッド部を容易に位置決めすることができ、ヘッド部および作業ツールの移動時の位置精度を高めることができる。すなわち、ヘッド部の中心軸に沿った方向視において、ヘッド部の中心と作業部位とが略一致するようにヘッド部を位置決めすることにより、作業部位との関係でヘッド部の位置を容易に決定できるとともに、その位置関係が維持されるようにヘッド部を移動させることにより、作業部位に忠実に沿うように第2リンクの先端を移動させることができ、その位置精度を高めることができる。
好ましくは、前記第2リンクは、前記ワークにシール材を塗布するノズルを先端部に有する。あるいは、前記第2リンクは、前記ワークに塗布されたシール材を整形するヘラを先端部に有するものであってもよい。
これらの構成によれば、ワークにシール材を塗布する作業、もしくは塗布したシール材を整形する作業を、それぞれ効率よく行うことができる。
本願の第2の発明は、ワークの形状に沿って移動可能な多軸ロボットのヘッド部に取り付けられる作業ツールであって、前記ヘッド部に軸支された第1リンクと、前記第1リンクの先端部に軸支された第2リンクと、前記ヘッド部の中心軸に対する前記第1リンクの角度である第1角度を変更可能な第1可変機構と、前記第1リンクに対する前記第2リンクの角度である第2角度を変更可能な第2可変機構とを備えた、ことを特徴とするものである。
この第2の発明にかかる作業ツールは、これを多軸ロボットに用いることにより、上述した第1の発明と同様の効果を発揮する。
本願の第3の発明は、上述した多軸ロボットを制御する方法であって、前記第2リンクの先端を前記ワークの初期作業位置に移動させる第1のステップと、前記第2リンクの先端が前記初期作業位置に到達する前に前記第1角度および前記第2角度を所定の角度に調整する第2のステップと、前記第1角度および前記第2角度を固定したまま前記第2リンクの先端を前記初期作業位置から前記ワークの形状に沿って移動させる第3のステップとを含む、ことを特徴とするものである。
この第3の発明によれば、第2リンクの先端の位置精度を良好に確保しながら効率よく作業を行うことができる。
好ましくは、前記ワークは、ベース面とこれに交差する交差面とにより規定されるコーナ部を有し、前記第2のステップでは、前記第1角度および前記第2角度を、前記コーナ部に対し前記第2リンクの先端が斜め外方から接近し、かつ前記第1リンクが前記第2リンクに対し前記交差面に近づく側に折れ曲がるような角度に調整する。
このようにすれば、第2リンクの先端をコーナ部に沿って移動させる際の制御性を高めることができる。
好ましくは、前記第3のステップでは、前記ヘッド部の中心軸を延ばした延長線が前記第2リンクの先端に略一致する状態で前記第2リンクの先端を移動させる。
このようにすれば、ヘッド部および作業ツールの移動時の位置精度を高めることができる。
本願の第4の発明は、ワークの形状に沿って移動しながら所定の作業を行う多軸ロボットであって、ヘッド部および当該ヘッド部を3次元的に移動させる移動機構を含むロボット本体と、前記ヘッド部に取り付けられる作業ツールとを備え、前記作業ツールは、前記ヘッド部に軸支された第1リンクと、前記第1リンクの先端部から当該第1リンクの中心軸とは異なる方向に延びる第2リンクと、前記ヘッド部の中心軸に対する前記第1リンクの中心軸の角度である第1角度を変更可能な可変機構とを備え、前記可変機構は、前記ヘッド部の中心軸を延ばした延長線に対し前記第1リンクの中心線および前記第2リンクの中心線がそれぞれ交差し、かつ前記第2リンクがその先端側ほど前記延長線に近づくように、前記第1角度を調整可能である、ことを特徴とするものである。
この第4の発明によれば、ヘッド部の中心軸を延ばした延長線と、第1リンクの中心線と、第2リンクとの中心線との位置関係を、略三角形を描くような関係とすることができる。これにより、作業ツールを全体的にコンパクトにできるので、ヘッド部の中心軸と第1リンクとの交差角度の調整によってワークとの干渉を避け易くすることができる。また、第2リンクの先端が前記延長線に略一致もしくは近づくので、作業部位に対しヘッド部を容易に位置決めすることができ、ヘッド部および作業ツールの移動時の位置精度を高めることができる。
本願の第5の発明は、ワークの形状に沿って移動可能な多軸ロボットのヘッド部に取り付けられる作業ツールであって、前記ヘッド部に軸支された第1リンクと、前記第1リンクの先端部から当該第1リンクの中心軸とは異なる方向に延びる第2リンクと、前記ヘッド部の中心軸に対する前記第1リンクの中心軸の角度である第1角度を変更可能な可変機構とを備え、前記可変機構は、前記ヘッド部の中心軸を延ばした延長線に対し前記第1リンクの中心線および前記第2リンクの中心線がそれぞれ交差し、かつ前記第2リンクがその先端側ほど前記延長線に近づくように、前記第1角度を調整可能である、ことを特徴とするものである。
この第5の発明にかかる作業ツールは、これを多軸ロボットに用いることにより、上述した第4の発明と同様の効果を発揮する。
以上説明したように、本発明によれば、形状の異なる種々のワークに対し当該ワークとの干渉を避けながら効率よく作業を行うことができる。
本発明の一実施形態にかかる作業ロボット(多軸ロボット)を示す斜視図である。 上記作業ロボットの側面図である。 図2の一部拡大図である。 上記作業ロボットに備わる作業ツールの構造を説明するための図であり、(a)は斜視図、(b)は側面図である。 上記作業ツールの先端部を拡大して示す斜視図であり、(a)は先端部にノズルを装着した場合を、(b)は先端部にヘラを装着した場合をそれぞれ示している。 上記作業ツールの内部構造を概略的に示す図である。 上記作業ロボットの制御系統を示すブロック図である。 上記作業ロボットによりシール材の塗布作業を行う場合に実行される制御の手順を示すフローチャートである。 1つの作業区画にシール材を塗布する場合の作業開始から終了までの作業ツールの動きを示す図である。 シール材の塗布対象を変更した場合の一例を示す図である。 上記実施形態の作用を説明するための比較例を示す図2相当図である。
[ロボットの全体構成]
図1および図2は、本発明の一実施形態にかかる作業ロボット1を示す斜視図および側面図であり、図3は図2の一部拡大図である。作業ロボット1は、本発明の多軸ロボットの一例であり、シール材S(図3)の塗布または塗布したシール材Sの整形を行うためのロボットである。作業ロボット1は、6つのアーム関節JT1~JT6を含むいわゆる6軸多関節型のロボット本体2と、ロボット本体2の先端に取り付けられる作業ツール3とを備える。なお、アーム関節JT1~JT6は、本発明における「移動機構」に相当する。
ロボット本体2は、基台10と、基台10に第1アーム関節JT1を介して連結された第1アームリンク11と、第1アームリンク11に第2アーム関節JT2を介して連結された第2アームリンク12と、第2アームリンク12に第3アーム関節JT3を介して連結された第3アームリンク13と、第3アームリンク13に第4アーム関節JT4を介して連結された第4アームリンク14と、第4アームリンク14に第5アーム関節JT5を介して連結された第5アームリンク15と、第5アームリンク15に第6アーム関節JT6を介して連結された第6アームリンクとしてのヘッド部16とを備える。
図2に示すように、第1アーム関節JT1は、矢印A1のように、第1アームリンク11を基台10に対し鉛直向きの第1アーム軸X1回りに回転させる関節である。第2アーム関節JT2は、矢印A2のように、第2アームリンク12を第1アームリンク11に対し水平向きの第2アーム軸X2回りに揺動させる関節である。第3アーム関節JT3は、矢印A3のように、第3アームリンク13を第2アームリンク12に対し水平向きの第3アーム軸X3回りに揺動させる関節である。第4アーム関節JT4は、矢印A4のように、第4アームリンク14を第3アームリンク13に対し、第3アームリンク13の先端部の中心軸である第4アーム軸X4回りに回転させる関節である。第5アーム関節JT5は、矢印A5のように、第5アームリンク15を第4アームリンク14に対し水平向きの第5アーム軸X5回りに揺動させる関節である。第6アーム関節JT6は、矢印A6のように、ヘッド部16を第5アームリンク15に対し、第5アームリンク15の先端部の中心軸である第6アーム軸X6回りに回転させる関節である。第1~第6アーム関節JT1~JT6は、それぞれの駆動源として、電動式のモータM1~M6(図7)を有している。なお、第6アームリンク16は第5リンクアーム15と同軸に取り付けられており、第6アーム軸X6は第5・第6アームリンク15,16の中心軸を兼ねている。このため以下では、第6アームリンク16の中心軸のことを、第6アーム軸X6と同一の符号を用いて、「第6アームリンク16の中心軸X6」と称する。
[作業ツールの詳細]
図4(a)は、作業ツール3およびその近傍を取り出して図1とは別の角度から見た斜視図であり、図4(b)はその側面図である。本図および先の図1~図3に示すように、作業ツール3は、ベース部20と、第1リンク21と、第2リンク22と、第1関節JT7と、第2関節JT8とを備える。ベース部20は、ロボット本体2のヘッド部16に締結部材等を介して着脱自在に取り付けられる。第1リンク21は、ベース部20からストレート状に延びるリンクである。第2リンク22は、第1リンク21の先端からストレート状に延びるリンクである。第1関節JT7は、本発明における「第1可変機構」の一例であり、ベース部20と第1リンク21とを角度変更可能に連結する機構である。第2関節JT8は、本発明における「第2可変機構」の一例であり、第1リンク21と第2リンク22とを角度変更可能に連結する機構である。なお、当実施形態において、第1リンク21の長さと第2リンク22の長さとの比は、概ね1:1に設定されている。
第1リンク21は、例えば図4に示すように、円板状の基端部21aと、基端部21aよりも小径な円板状の先端部21bとを有する。基端部21aは、ベース部20に対し回転可能に取り付けられている。言い換えると、第1リンク21は、ベース部20を介してヘッド部16に軸支されている。
第2リンク22は、その基端部が第1リンク21の先端部21bに軸支されている。第2リンク22は、その先端部に先端ツール部22aを有している。図5に示すように、先端ツール部22aは、作業対象であるワークにシール材S(図3)を塗布するノズル22a1であるか、もしくはワークに塗布されたシール材Sを整形するヘラ22a2である。なお、先端ツール部22aがノズル22a1(図5(a))である場合、ノズルにシール材Sを供給するためのシリンジ(図示省略)が別途作業ツール3に備えられる。
図6(a)(b)は、作業ツール3の内部構造を概略的に示す図である。本図に示すように、第1関節JT7は、ベース部20に対し第1リンク21を揺動させるための機構であり、当該揺動により第1リンク21の中心線Y1とヘッド部16の中心軸X6とのなす角度θ1(図4(b))を変更可能である。第2関節JT8は、第1リンク21に対し第2リンク22を揺動させるための機構であり、当該揺動により第2リンク22の中心線Y2と第1リンク21の中心線Y1とのなす角度θ2(図4(b))を変更可能である。以下では、角度θ1のことを第1角度θ1、角度θ2のことを第2角度θ2という。
図6に示すように、第1関節JT7は、電動式のモータM7(第1駆動源)と、モータM7により回転駆動される駆動ギヤ31(第1駆動ギヤ)と、駆動ギヤ31と噛み合った被動ギヤ32(第1被動ギヤ)とを有している。被動ギヤ32は、その中央部が空洞とされたリング状のギヤであり、第1リンク21の基端部21aに一体に結合されている。被動ギヤ32の内側には、第2関節JT8の構成要素の一部(後述する駆動ギヤ41とおよび被動ギヤ42)が収容されている。モータM7、駆動ギヤ31、および被動ギヤ32は、ベース部20に内蔵されている。
第2関節JT8は、電動式のモータM8(第2駆動源)と、モータM8により回転駆動される駆動ギヤ41(第2駆動ギヤ)と、駆動ギヤ41と噛み合った被動ギヤ42(第2被動ギヤ)と、被動ギヤ42と同軸に連結された駆動プーリ43と、駆動プーリ43から離れた被動プーリ44と、駆動プーリ43と被動プーリ44との間に巻き掛けられたベルト45とを有している。被動プーリ44は、第2リンク22の基端部に一体に結合されている。駆動ギヤ41および被動ギヤ42はベース部20に内蔵(より詳しくは第1関節JT7の被動ギヤ32の内側に収容)されており、駆動プーリ43、被動プーリ44、およびベルト45は、第1リンク21に内蔵されている。なお、駆動プーリ43、被動プーリ44、およびベルト45の組合せは、本発明における「動力伝達機構」に相当する。
第1関節JT7におけるモータM7の回転は、第1リンク21をベース部20に対し揺動させる動作(第1角度θ1を変更する動作)につながる。すなわち、モータM7が回転すると、その回転が駆動ギヤ31および被動ギヤ32に伝達されることにより、当該被動ギヤ32およびこれと一体の第1リンク21が、被動ギヤ32の中心軸である第1ツール軸X7を中心に回転する。これにより、第1リンク21がベース部20に対し揺動し、ヘッド部16の中心軸X6と第1リンク21の中心線Y1との間の第1角度θ1が変更される。
第2関節JT8におけるモータM8の回転は、第2リンク22を第1リンク21に対し揺動させる動作(第2角度θ2を変更する動作)につながる。すなわち、モータM8が回転すると、その回転が駆動ギヤ41、被動ギヤ42、駆動プーリ43、およびベルト45を介して被動プーリ44に伝達されることにより、当該被動プーリ44およびこれと一体の第2リンク22が、被動プーリ44の中心軸である第2ツール軸X8を中心に回転する。これにより、第2リンク22が第1リンク21に対し揺動し、第1リンク21の中心線Y1と第2リンク22の中心線Y2との間の第2角度θ2が変更される。
[制御系統]
図7は、当実施形態の作業ロボット1の制御系統を示すブロック図である。本図に示されるコントローラ50は、作業ロボット1を統括的に制御するための制御器であり、周知のCPU、RAM、ROM等を含むマイクロプロセッサである。また、外部入力装置60は、ワークの形状データ等の教示データを入力するための装置であり、汎用コンピュータ等から構成されている。外部入力装置60は、データ入力を行うときなど、必要に応じてコントローラ50に電気的に接続される。コントローラ50は、作業ロボット1の各部、具体的にはロボット本体2の各アーム関節JT1~JT6を動かすためのモータM1~M6と、作業ツール3の各関節JT7,JT8を動かすためのモータM7,M8とにそれぞれ電気的に接続されている。
コントローラ50は、演算部51と、サーボ制御部52と、記憶部53とを機能的に有している。記憶部53は、作業ロボット1を制御する上で必要な各種データ、設定値、プログラム等を記憶する記憶媒体である。サーボ制御部52は、ロボット本体2のモータM1~M6および作業ツール3のモータM7,M8を制御するモジュールである。演算部51は、与えられたデータ(条件)に基づいて各モータM1~M8に出力する指令値等を演算するモジュールである。
[制御動作例]
次に、上述したコントローラ50の制御に基づく作業ロボット1の具体的な動作について説明する。ここではまず、作業ロボット1による作業対象(ワーク)が図1および図2に示される構造体70であり、かつ作業ロボット1による作業が当該構造体70にシール材Sを塗布する作業である場合について説明する。
構造体70は、作業台100に立位状態で支持されたベース板71と、ベース板71に取り付けられた複数の横板72、縦板73、および突起74とを備える。横板72は、水平方向に長尺状に延びる板材である。縦板73は、上下方向に延びる矩形状の板材である。突起74は、横板72および縦板73よりも主面71aから大きく突出する棒状部材である。
複数の横板72は、ベース板71の主面71a(作業ロボット1側の面)における複数の異なる高さ位置にそれぞれ取り付けられている。各横板72は、主面71aと面接触するフランジ部72aと、フランジ部72aの上端から主面71aと直交する方向に突出する平面部72bと、平面部72bにおける主面71aと反対側の端縁から上方に突出する折曲部72cとを一体に有している。横板72は、そのフランジ部72aが複数のリベット(図示省略)によりベース板71に締結されることにより、ベース板71に固定されている。
複数の縦板73は、上下方向および左右方向に等間隔で並ぶように主面71aに取り付けられている。具体的に、複数の縦板73は、左右方向の各位置において、縦板73と横板72とが上から順に交互に並ぶように配置されている。
複数の突起74は、複数の縦板73と同様のピッチで主面71aに取り付けられている。具体的に、複数の突起74は、上下方向に隣接する横板72と縦板73との間に位置するように配置されている。
図1~図3は、ベース板71の主面71aと横板72の平面部72bとが交差するコーナ部C1に作業ツール3を用いてシール材S(図3)を塗布する様子を示している。本図に示すように、コーナ部C1にシール材Sと塗布する際には、コーナ部C1の斜め外方(斜め上方)から先端ツール部22aを接近させる。この場合の先端ツール部22aは、図5(a)に示したノズル22a1である。なお、図1~図3のようにコーナ部C1にシール材Sを塗布する場合において、ベース板71の主面71aは、本発明における「ベース面」に相当し、当該主面71aとコーナ部C1を形成する横板72の平面部72b(より詳しくはその上面)は、本発明における「交差面」に相当する。
コーナ部C1は、横板72の平面部72bの奥側(作業ロボット1から遠い側)の縁に沿って形成される左右方向に長尺なコーナ部である。このコーナ部C1のうち左右方向に隣接する一対の縦板73によって挟まれた区画を作業区画Rとすると、コーナ部C1へのシール材Sの塗布は、当該作業区画Rごとに行われる。例えば、作業ロボット1は、コーナ部C1に沿って左右一方側の作業区画Rから他方側の作業区画Rへと作業ツール3を順次移動させながら、シール材Sの塗布を行う。具体的に、このようなシール材Sの塗布作業は、次のような制御手順に従って行われる。
図8は、コーナ部C1へのシール材Sの塗布のためにコントローラ50が行う制御の手順を示すフローチャートである。本図に示す制御がスタートすると、コントローラ50は、コーナ部C1へのシール材Sの塗布を最初に行うべき作業区画R(以下、最初の作業区画Rという)に作業ツール3を移動させる(ステップS1)。すなわち、コントローラ50は、作業ツール3の先端ツール部22a(ここではノズル22a1)が最初の作業区画Rのコーナ部C1に近接する位置まで移動するように、ロボット本体2のモータM1~M6を駆動して第1~第6アームリンク11~16を回転または揺動させる。
特に、上記ステップS1では、作業ツール3が作業区画Rに到達した時点において、図3に示すように、ヘッド部16の中心軸X6を延ばした延長線Lxが作業ツール3の第2リンク22の先端(先端ツール部22aの端部)と略一致するように、ヘッド部16の位置および向きが調整される。
コントローラ50は、上記ステップS1の制御と並行して、作業ツール3の第1角度θ1および第2角度θ2を調整する(ステップS2)。すなわち、コントローラ50は、作業ツール3のモータM7,M8を駆動することにより、ヘッド部16と第1リンク21との間の第1角度θ1と、第1リンク21と第2リンク22との間の第2角度θ2とを所定の角度に調整する。調整後の第1角度θ1および第2角度θ2、つまり所定の角度は、次の3つの条件(i)~(iii)を満たすような角度とされる。なお、所定の角度は、例えば構造体70の形状データや、作業ロボット1と構造体70との位置関係等に基づいて、演算により予め求めておくことができる。
(i)各作業区画R内でのシール材Sの塗布中に作業ツール3が構造体70の各部と干渉しないこと。
(ii)コーナ部C1に対し第2リンク22の先端ツール部22aが斜め外方から接近すること。詳しくは、コーナ部C1から斜め上方に延びる線に沿うように第2リンク22が配置されることにより、コーナ部C1を規定する2面(ベース板71の主面71aおよび横板72の平面部72bの上面)のいずれからも第2リンク22が離隔する状態になること。
(iii)第1リンク21が第2リンク22に対し内側(横板72に近づく側)に折れ曲がること。詳しくは、第1リンク21の中心線Y1と第2リンク22の中心線Y2との交点(第2ツール軸X8)を通りかつ主面71aと直交する線を基準線L(図3)としたとき、この基準線Lよりも横板72の平面部72bに近い側(ここでは下方)に第1リンク21の中心線Y1が位置すること。これにより、第1リンク21と第2リンク22との間の第2角度θ2、つまり第1リンク21の中心線Y1と第2リンク22の中心線Y2との下側の交差角度である第2角度θ2は、180度未満(図では約90度)になる。
上記のような角度調整(上記ステップS2の制御)は、作業ツール3が最初の作業区画Rに到達する前に行われる。すなわち、コントローラ50は、作業ツール3の先端ツール部22aが最初の作業区画R(初期作業位置)に到達する前に、第1角度θ1および第2角度θ2を上記条件(i)~(iii)を満たす所定の角度に調整する。
上記(i)~(iii)の条件による角度調整は、上述したステップS1でのヘッド部16の位置および向きの調整(ヘッド部16の中心軸X6の延長線Lxを第2リンク21の先端と略一致させる調整)との組合せにより、作業ツール3を全体的にコンパクト化する。すなわち、上記各調整により、ヘッド部16の中心軸X6の延長線Lxと、第1リンク21の中心線Y1と、第2リンク21の中心線Y2との位置関係とが、略三角形を描くような関係となる(図3等参照)。言い換えると、第1リンク21の中心線Y1、および第2リンク22の中心線Y2とが、それぞれヘッド部16の中心軸X6の延長線Lxに対し90度未満の角度で交差し、かつ第1リンク21の中心線Y1と第2リンク22の中心線Y2とが180度未満の角度で交差する。そして、このような関係が構築されることにより、作業ツール3の全体の寸法が、ヘッド部16の中心軸X6と平行な方向、および当該中心軸X6と直交する方向のいずれにおいても比較的小さくされる。
ここで、作業区画Rへと移動した後のヘッド部16の位置および向きは、上述したとおり、原則としてその中心軸X6を延ばした延長線Lxが第2リンク22の先端(先端ツール部22aの端部)と略一致するように調整される。しかしながら、ワークの形状によっては、当該ヘッド部16と先端ツール部22aとの位置関係を守ったままでは上記条件(i)~(iii)を満足できないこともあり得る。そこで、このような場合には、上記ステップS1において、ヘッド部16の中心軸X6の延長線Lxを所期の位置(先端ツール部22aの端部と略一致する位置)からずらすことが許容される。すなわち、上記条件(i)~(iii)は、ヘッド部16と先端ツール部22aとの位置関係よりも優先される。なお、ヘッド部16と先端ツール部22aとの位置関係を上記の関係(先端ツール部22aの端部が延長線Lxに略一致する関係)にすることができない場合は、上記(i)~(iii)の条件を満たす範囲でできるだけ先端ツール22aが延長線Lxに近づくように、ヘッド部16の位置および向きが調整される。言い換えると、第2リンク22の姿勢は、少なくとも、先端側ほど延長線Lxに近づくような姿勢には調整される。
次いで、コントローラ50は、最初の作業区画Rにおける塗布作業の始点(シール材Sを塗布し始める位置)に先端ツール部22aが到達したか否かを判定する(ステップS3)。ここで、当実施形態において、作業区画Rでのシール材Sの塗布作業は、図9に示すように、同区画のコーナ部C1における左右方向の一端から他端にかけて(図例では左端から右端にかけて)連続的に行われる。この場合における始点は、作業区画Rのコーナ部C1の一端であって、実線で示す作業ツール3がシール材Sを塗布する位置である。一方、コーナ部C1の他端、つまり二点鎖線で示す作業ツール3がシール材Sを塗布する位置は、塗布作業が終了する終点である。
上記ステップS3でYESと判定されて先端ツール部22aが塗布作業の始点に到達したことが確認された場合、コントローラ50は、先端ツール部22aを上記始点からコーナ部C1に沿って移動させつつ当該コーナ部C1にシール材Sを塗布する(ステップS4)。すなわち、コントローラ50は、先端ツール部22a(ここではノズル22a1)からシール材Sを一定の割合で吐出しつつ、当該先端ツール部22aをコーナ部C1に沿ってその一端(始点)から他端(終点)にかけて一定の速度で移動させることにより、コーナ部C1にシール材Sを塗布する。このとき、作業ツール3の第1角度θ1および第2角度θ2は変更されず、上記ステップS2による調整後の角度(所定の角度)に維持される。言い換えると、コントローラ50は、同一の作業区画R内でのシール材Sの塗布を、作業ツール3の第1角度θ1および第2角度θ2を固定したまま先端ツール部22aをコーナ部C1に沿って移動させることにより行う。
次いで、コントローラ50は、塗布作業の終点、つまりシール材Sの塗布が終了するコーナ部C1の他端に先端ツール部22aが到達したか否かを判定する(ステップS5)。
上記ステップS5でYESと判定されて先端ツール部22aが終点に到達したことが確認された場合、コントローラ50は、作業ツール3を次の作業区画Rに移動させるともに、移動後の作業区画Rのコーナ部C1に対し上記ステップS3~S5と同様の手順でシール材Sを塗布する(ステップS6)。このとき、ヘッド部16の位置および向きは、上記ステップS1のときと同様に、ヘッド部16の中心軸X6を延ばした延長線Lxが作業ツール3の第2リンク22の先端(先端ツール部22aの端部)と略一致するように設定される(図3参照)。
上記ステップS6で作業ツール3を移動させる際の移動先は、現在の作業区画Rでの終点に最も近い他の作業区画Rとされる。例えば、図9のように現在の作業区画Rにおいて左から右に先端ツール部22aを移動させつつシール材Sを塗布した場合には、作業ツール3の移動先は、原則として、現在の作業区画Rに対し右側に隣接する作業区画Rとされる。なお、現在の作業区画Rが構造体70における最も右側の作業区画Rであった場合には、当該作業区画Rの上側または下側に隣接する他の作業区画Rが、移動先の作業区画として選択される。
上記のように隣接する作業区画R間で作業ツール3を移動させる際には、その移動経路に近接する構造物(特に隣接する作業区画Rの間に位置する縦板73および突起74)と干渉しない範囲で、できる限り短い距離で作業ツール3を移動させる。この作業区画R間の移動は、作業ツール3の第1角度θ1および第2角度θ2を固定したまま行われる。言い換えると、作業ツール3の各角度θ1、θ2は、全ての作業区画Rに対するシール材Sの塗布が完了するまで変更されない。もちろん、構造体70の形状および構造等から角度を変更せざるを得ない場合もあり、このような場合に例外的に角度を変更することを排除するものではない。
次いで、コントローラ50は、構造体70における全ての作業区画Rに対しシール材Sの塗布作業が完了したか否かを判定する(ステップS7)。そして、当該判定がNOであった場合には残りの作業区画Rに対しシール材Sの塗布作業を同様に行い、YESであった場合には一連の制御を終了する。
なお、上述の説明では省略したが、各作業区画Rは縦板73により互いに仕切られているので、各作業区画Rの始点または終点は、コーナ部C1のうち縦板73の直下方に位置するポイントとなる。このようなポイントにシール材Sを塗布するには、作業ツール3の先端ツール部22aを縦板73の直下方の隙間、つまり縦板73の下端と横板72の平面部72bとの間の隙間G(図9)に入り込ませる必要があるが、この動作は、基本的にヘッド部16をその中心軸X6回りにわずかに回転させるだけで実現可能である。すなわち、当実施形態では、各作業区画Rにおいてシール材Sの塗布作業を行う際に、ロボット本体2の姿勢が、ヘッド部16の中心軸X6を延ばした延長線Lxが先端ツール部22aの端部に略一致するような姿勢とされる(図3参照)。このため、先端ツール部22aを隙間Gに入り込ませるには、図9のように作業ツール3を縦板73にごく近接する位置まで移動させた状態で、ヘッド部16をわずかに回転させて第2リンク22を傾ければよい。言い換えると、コントローラ50は、各作業区画Rでのシール材Sの塗布を開始または終了するときに、ヘッド部16をわずかに回転させて作業ツール3の先端ツール部22aを隙間Gに入り込ませる。これにより、コーナ部C1の全範囲に亘って途切れることなくシール材Sを塗布することが可能になる。
[他の作業例]
以上、作業ロボット1が構造体70のコーナ部C1、つまりベース板71の主面71aと横板72の平面部72bとが交差するコーナ部C1にシール材Sを塗布する例について詳しく説明したが、シール材Sの塗布は、シール性が要求される他の箇所にも同様に行うことが可能である。例えば、横板72のフランジ部72aがベース板71にリベット止めされる当実施形態では、フランジ部72aとベース板71との隙間に水分が浸入することを避けるために、フランジ部72aの全周に亘ってシール材Sを塗布することが求められる。このため、シール材Sは、フランジ部72aの周囲のうちコーナ部C1を除く部位、つまりフランジ部72aの下縁および左右の端縁にも塗布される。また、縦板73がリベット止め等によりベース板71に締結される場合には、この締結のための合わせ面の周囲にも同様にシール材Sが塗布される。
また、シール材Sを塗布する対象(ワーク)は、上述した構造体70に限られず、例えば図10に示すような構造体80にシール材Sを塗布することも可能である。本図に示される構造体80は、平板状のベース板81と、ベース板81の主面81aに複数のリベット(図示省略)により締結固定された円板部材82とを備える。この場合に、作業ロボット1は、円板部材82の外周面82aとベース板81の主面81aとが交差するコーナ部C2にシール材Sを塗布する。なお、主面81aは本発明における「ベース面」に相当し、外周面82aは本発明における「交差面」に相当する。
コーナ部C2は、円板部材82の外周面82aに沿って形成された無端状のコーナ部である。このようなコーナ部C2にシール材Sを塗布する場合、コントローラ50は、作業ツール3の第1角度θ1および第2角度θ2を図10に示すような角度に調整した上で、矢印B1に示すように、当該コーナ部C2に沿って作業ツール3の先端ツール部22aを円周状に移動させることにより、コーナ部C2にシール材Sを塗布する。このときの第1角度θ1および第2角度θ2は、コーナ部C2に対し先端ツール部22aが斜め外方から接近し、かつ第1リンク21が第2リンク22に対し外周面82aに近づく側(ここでは径方向内側)に折れ曲がるような所定の角度とされる。この第1・第2角度θ1,θ2の調整は、コーナ部C2に対する初期作業位置に移動する前に行われ、コーナ部C2へのシール材Sの塗布中は、原則として角度θ1,θ2が変更されることはない。
さらに、上記のように構造体70(または80)にシール材Sを塗布した後、作業ロボット1は、塗布したシール材Sを整形する作業を行うことも可能である。この整形作業に際しては、作業ツール3の先端ツール部22aとして、図5(b)に示したヘラ22a2が取り付けられる。ヘラ22a2は、上述したシール材塗布時の先端ツール部22a(ノズル22a1)と同様に、シール材Sの塗布対象の形状(例えばコーナ部C1またはC2)に沿って移動させられる。これにより、塗布されたシール材Sの表面に生じている凹凸等がならされて、シール材Sが整形される。
[作用効果]
以上説明したとおり、当実施形態では、3次元的に移動可能なロボット本体2のヘッド部16に、第1リンク21および第2リンク22を含む作業ツール3が取り付けられるとともに、ヘッド部16と第1リンク21との間の第1角度θ1、および第1リンク21と第2リンク22との間の第2角度θ2がそれぞれ変更可能とされている。このような構成によれば、形状の異なる種々のワークに対しシール材を塗布(または整形)する作業を、当該ワークとの干渉を避けながら効率よく行えるという利点がある。
すなわち、上記実施形態では、第1角度θ1および第2角度θ2を変更可能な2自由度を有する作業ツール3がロボット本体2のヘッド部16に取り付けられるので、第1角度θ1および第2角度θ2の両方を構造体70,80等のワークの形状に合わせて調整することにより、作業ツール3とワークとの干渉を避けつつ連続した作業を行える区間を可及的に長く確保することができ、作業効率を高めることができる。例えば、構造体70のコーナ部C1に対し作業(シール材Sの塗布または整形)を行う場合には、縦板73との干渉を避けるために作業区画を複数に区切ることは不可避であるものの、各作業区画Rでの作業の連続性は良好となる。具体的には、仮に図1において二点鎖線で示すような干渉物Zが存在した場合であっても、この干渉物Zとの干渉を回避可能な角度(図1~図3に示す角度)に第1角度θ1および第2角度θ2を予め調整しておくことにより、いずれの作業区画Rでの作業時にも、両角度θ1,θ2を固定したまま連続した作業を行うことができる。言い換えると、干渉物Zの存在に起因して連続作業を行える区間が短縮されるのを避けることができ、作業効率を可及的に高めることができる。これに対し、例えば図11に示す作業ツール130のように、角度変更不能なツールを用いた場合には、作業ツール130およびロボット本体2が取れる姿勢がおのずと限られるので、例えば構造体70のコーナ部C1に対する作業時に、上述した干渉物Z(図1)との干渉を避けるために連続作業が阻害されることがあり、作業効率が低下するおそれがある。上記実施形態によれば、このような事態を避けながら効率よく作業を行うことが可能になる。
また、上記実施形態では、構造体70,80等のワークの初期作業位置に作業ツール3(その先端ツール部22a)が移動する前に、ワークとの干渉を避ける等の条件を満たす所定の角度に第1角度θ1および第2角度θ2が調整され、初期作業位置への移動後は、両角度θ1,θ2を固定したままワークの形状(例えばコーナ部C1,C2の形状)に沿って先端ツール部22aが移動するようにロボット本体2が制御される。このような構成によれば、作業ツール3が初期作業位置に移動した後は第1角度θ1および第2角度θ2を変更する必要がなく、ロボット本体2の駆動制御によりヘッド部16のみをワークの形状に沿って移動させればよいので、先端ツール部22aの位置精度を良好に確保しながら効率よく作業を行うことができる。
また、上記実施形態では、構造体70(80)のコーナ部、例えばヘッド部16と対面する主面71a(81a)とこれに交差する交差面(平面部72bまたは外周面82a)とにより規定されるコーナ部C1(C2)に対し作業を行う場合に、当該コーナ部C1(C2)に対し先端ツール部22aが斜め外方から接近し、かつ第1リンク21が第2リンク22に対し上記交差面(72b,82a)に近づく側に折れ曲がるように、第1角度θ1および第2角度θ2が調整される。このような構成によれば、ヘッド部16の中心軸X6に沿った方向視において、ヘッド部16の中心を作業部位であるコーナ部C1,C2に近づけることができ、先端ツール部22aをコーナ部C1,C2に沿って移動させる際の制御性を高めることができる。また、構造体80のコーナ部C2(図10)のような円弧状の作業部位に対し作業を行う場合には、仮に第1リンク21が第2リンク22に対し図とは逆向き(径方向外側)に折り曲げられた場合と比較して、先端ツール部22aをコーナ部C2に沿って移動させるためのヘッド部16の移動距離を短縮することができ、作業効率を高めることができる。
特に、上記実施形態では、ヘッド部16の中心軸X6を延ばした延長線Lxが先端ツール部22aの端部と略一致する状態で作業が行われるので、例えばコーナ部C1(C2)に沿って先端ツール部22aを移動させる際には、当該コーナ部C1(C2)との関係でヘッド部16を容易に位置決めすることができ、ヘッド部16および作業ツール3の移動時の位置精度を高めることができる。すなわち、ヘッド部16の中心軸X6に沿った方向視において、ヘッド部16の中心とコーナ部C1(C2)とが略一致するようにヘッド部16を位置決めすることにより、コーナ部C1(C2)との関係でヘッド部16の位置を容易に決定できるとともに、その位置関係が維持されるようにヘッド部16を移動させることにより、コーナ部C1(C2)に忠実に沿うように先端ツール部22aを移動させることができ、その位置精度を高めることができる。
[変形例]
上記実施形態では、第1リンク21の中心線Y1とヘッド部16の中心軸X6とのなす角度である第1角度θ1と、第2リンク22の中心線Y2と第1リンク21の中心線Y1とのなす角度である第2角度θ2とを変更可能な、2自由度を有する作業ツール3を用いたが、作業ツールは必ずしも2自由度である必要はなく、1自由度であってもよい。具体的には、第1リンク21と第2リンク22とを所定の角度で交差する状態で互いに固定することにより、第1角度θ1のみを変更可能とし、第2角度θ2は変更不能としてもよい。ただしこの場合は、少なくとも第1角度θ1がある角度範囲にある条件で、ヘッド部16の中心軸X6を延ばした延長線Lxに対し第1リンク21の中心線Y1および第2リンク22の中心線Y2がそれぞれ交差し、かつ第2リンク22がその先端側ほど延長線Lxに近づくように、第1リンク21および第2リンク22を形成するのがよい。これにより、作業ツール3が全体的にコンパクトになるので、ヘッド部16の中心軸と第1リンク21との交差角度(第1角度θ1)の調整によってワークとの干渉を避け易くすることができる。また、第2リンク22の先端が延長線Lxに略一致もしくは近づくので、作業部位に対しヘッド部16を容易に位置決めすることができ、ヘッド部16および作業ツール3の移動時の位置精度を高めることができる。
上記実施形態では、ワークにシール材Sを塗布するかもしくは塗布したシール材Sを整形する作業を作業ロボット1を用いて行う例について説明したが、本発明の多軸ロボットまたは作業ツールの用途はこれに限られず、ワークの形状に沿って移動しながら行う必要のある種々の作業に本発明の多軸ロボットまたは作業ツールを使用し得る。例えば、ワークに塗装を行う作業や、ワークの各部に生じているバリを切除するバリ取りの作業にも、本発明の多軸ロボットまたは作業ツールを好適に使用することができる。
上記実施形態では、6軸多関節型のロボット本体2に作業ツール3を取り付けた例について説明したが、本発明の作業ツールを取付け可能なロボット本体は、ヘッド部を3次元的に移動させることが可能なものであればよく、6軸関節型のものに限られない。例えば、関節数が6未満もしくは6より大きい多関節型ロボットや、直交ロボットに本発明の作業ツールを取り付けてもよい。
1 :作業ロボット(多軸ロボット)
2 :ロボット本体
3 :作業ツール
16 :ヘッド部
20 :ベース部
21 :第1リンク
21b :(第1リンクの)先端部
22 :第2リンク
22a :先端ツール部(第2リンクの先端)
22a1 :ノズル
22a2 :ヘラ
JT1~JT6 :アーム関節(移動機構)
JT7 :第1関節(第1可変機構)
JT8 :第2関節(第2可変機構)
θ1 :第1角度
θ2 :第2角度
X6 :(ヘッド部の)中心軸
Lx :延長線
50 :コントローラ(制御器)
70 :構造体(ワーク)
C1 :コーナ部
71a :主面(ベース面)
72b :平面部(交差面)
80 :構造体(ワーク)
C2 :コーナ部
81a :主面(ベース面)
82a :外周面(交差面)

Claims (8)

  1. ワークの形状に沿って移動しながら所定の作業を行う多軸ロボットであって、
    ヘッド部および当該ヘッド部を3次元的に移動させる移動機構を含むロボット本体と、
    前記ヘッド部に取り付けられる作業ツールと、
    制御器とを備え、
    前記作業ツールは、
    前記ヘッド部に取り付けられたベース部と、
    前記ベース部に軸支された第1リンクと、
    前記第1リンクの先端部に軸支された第2リンクと、
    前記ヘッド部の中心軸に対する前記第1リンクの角度である第1角度を変更可能な第1可変機構と、
    前記第1リンクに対する前記第2リンクの角度である第2角度を変更可能な第2可変機構とを有し、
    前記第1可変機構は、第1駆動源と、当該第1駆動源により回転駆動される第1駆動ギヤと、当該第1駆動ギヤと噛み合いかつ前記第1リンクの基端部に結合されたリング状の第1被動ギヤとを有し、
    前記第2可変機構は、第2駆動源と、当該第2駆動源により回転駆動される第2駆動ギヤと、当該第2駆動ギヤと噛み合う第2被動ギヤと、当該第2被動ギヤの回転を前記第2リンクの基端部に伝達する動力伝達機構とを有し、
    前記第1駆動ギヤおよび前記第1被動ギヤは、前記ベース部の内部に収容され、
    前記第2駆動ギヤおよび前記第2被動ギヤは、リング状の前記第1被動ギヤの内側に収容され、
    前記制御器は、前記移動機構、前記第1可変機構、および前記第2可変機構を制御し、かつ
    前記制御器は、
    前記第2リンクの先端を前記ワークの初期作業位置に移動させる第1の制御と、
    前記第2リンクの先端が前記初期作業位置に到達する前に前記第1角度および前記第2角度を所定の角度に調整する第2の制御と、
    前記第1角度および前記第2角度を固定したまま前記第2リンクの先端を前記初期作業位置から前記ワークの形状に沿って移動させる第3の制御とを実行可能である、ことを特徴とする多軸ロボット。
  2. 請求項1に記載の多軸ロボットにおいて、
    前記ワークは、ベース面とこれに交差する交差面とにより規定されるコーナ部を有し、
    前記第2の制御による調整後の前記第1角度および前記第2角度は、前記コーナ部に対し前記第2リンクの先端が斜め外方から接近し、かつ前記第1リンクが前記第2リンクに対し前記交差面に近づく側に折れ曲がるような角度である、ことを特徴とする多軸ロボット。
  3. 請求項1または2に記載の多軸ロボットにおいて、
    前記制御器は、前記ヘッド部の中心軸を延ばした延長線が前記第2リンクの先端に略一致する状態で前記第3の制御を実行する、ことを特徴とする多軸ロボット。
  4. 請求項1~3のいずれか1項に記載の多軸ロボットにおいて、
    前記第2リンクは、前記ワークにシール材を塗布するノズルを先端部に有する、ことを特徴とする多軸ロボット。
  5. 請求項1~3のいずれか1項に記載の多軸ロボットにおいて、
    前記第2リンクは、前記ワークに塗布されたシール材を整形するヘラを先端部に有する、ことを特徴とする多軸ロボット。
  6. 請求項1に記載の多軸ロボットを制御する方法であって、
    前記第2リンクの先端を前記ワークの初期作業位置に移動させる第1のステップと、
    前記第2リンクの先端が前記初期作業位置に到達する前に前記第1角度および前記第2角度を所定の角度に調整する第2のステップと、
    前記第1角度および前記第2角度を固定したまま前記第2リンクの先端を前記初期作業位置から前記ワークの形状に沿って移動させる第3のステップとを含む、ことを特徴とする多軸ロボットの制御方法。
  7. 請求項6に記載の多軸ロボットの制御方法において、
    前記ワークは、ベース面とこれに交差する交差面とにより規定されるコーナ部を有し、
    前記第2のステップでは、前記第1角度および前記第2角度を、前記コーナ部に対し前記第2リンクの先端が斜め外方から接近し、かつ前記第1リンクが前記第2リンクに対し前記交差面に近づく側に折れ曲がるような角度に調整する、ことを特徴とする多軸ロボットの制御方法。
  8. 請求項6または7に記載の多軸ロボットの制御方法において、
    前記第3のステップでは、前記ヘッド部の中心軸を延ばした延長線が前記第2リンクの先端に略一致する状態で前記第2リンクの先端を移動させる、ことを特徴とする多軸ロボットの制御方法。
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