産業用ロボットおよび組立装置
【課題】可動範囲の拡大が図れる産業用ロボットの技術を提供する。
【解決手段】産業用ロボット1は、水平多関節ロボットとして構成されており、ベース部10に第1関節J1を介して接続するアーム部11と、アーム部11に手首関節部Jhを介して接続するハンド部12とを備えている。そして、アーム部11は、第1関節J1に接続する第1アーム111と、第1アーム111に第2関節J2を介して接続する第2アーム112とを有している。ここで、第2アーム112の長さL2は、第1アームの長さL1より大きくなっている(例えば約1.5倍)。これにより、アームを第2関節J2で折り畳んだ状態で第1関節J1による水平旋回を行う場合、その最小旋回半径の最大リーチ半径に対する比率を低減でき、ロボット1の可動範囲の拡大が図れる。
【解決手段】産業用ロボット1は、水平多関節ロボットとして構成されており、ベース部10に第1関節J1を介して接続するアーム部11と、アーム部11に手首関節部Jhを介して接続するハンド部12とを備えている。そして、アーム部11は、第1関節J1に接続する第1アーム111と、第1アーム111に第2関節J2を介して接続する第2アーム112とを有している。ここで、第2アーム112の長さL2は、第1アームの長さL1より大きくなっている(例えば約1.5倍)。これにより、アームを第2関節J2で折り畳んだ状態で第1関節J1による水平旋回を行う場合、その最小旋回半径の最大リーチ半径に対する比率を低減でき、ロボット1の可動範囲の拡大が図れる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ベース部とアーム部とを備える産業用ロボットの技術に関する。
【背景技術】
【0002】
多点数の部品から構成される組立体を産業用ロボットにより自動的に組み立てる組立装置が知られている。
【0003】
例えば特許文献1に開示される組立装置においては、図12に示すロボット5のような構成を有する水平多関節ロボットを用いて組立作業が行われる。
【0004】
【特許文献1】特開2000−354919号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記の水平多関節ロボットでは、図12に示すように第1アーム511の長さLaが第2アーム512の長さLbより長いため、これらのアームを第2関節J2で折り畳んだ屈曲状態でベース部50を中心に第1アーム511を旋回させた場合、その最小旋回半径(最小回転半径)は必ず第1アーム511の制約を受け、第1アーム511の長さ以下となることはない。これでは、ロボットの最大リーチ半径に対する最小旋回半径の比率が必ずしも低く抑えられているとはいえず、ロボットの可動範囲の拡大が適切に図れているとは限らない。
【0006】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、可動範囲の拡大が図れる産業用ロボットの技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の課題を解決するため、請求項1の発明は、産業用ロボットであって、(a)ベース部と、(b)前記ベース部に第1の水平関節を介して接続する第1アームと、(c)前記第1アームに第2の水平関節を介して接続する第2アームとを備え、前記第2アームは、前記第1アームより長い。
【0008】
また、請求項2の発明は、請求項1の発明に係る産業用ロボットにおいて、前記第1アームと前記第2アームとに関する合計長のうち前記第2アームの比率は、55%以上65%以下である。
【0009】
また、請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明に係る産業用ロボットにおいて、前記産業用ロボットは、水平多関節ロボットとして構成されている。
【0010】
また、請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明に係る産業用ロボットとして構成される2台のロボットを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、前記作業台上には、前記2台のロボットの可動範囲が重なる共通可動範囲が規定されている。
【0011】
また、請求項5の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明に係る産業用ロボットとして構成される1台のロボットと、前記1台のロボットと異なる構成を有する他のロボットとを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、前記作業台上には、前記1台のロボットの可動範囲と前記他のロボットの可動範囲とが重なる共通可動範囲が規定されている。
【発明の効果】
【0012】
請求項1ないし請求項4の発明によれば、ベース部に第1の水平関節を介して接続する第1アームより、第1アームに第2の水平関節を介して接続する第2アームが長いため、ロボットの可動範囲の拡大が図れる。
【0013】
特に、請求項2の発明においては、第1アームと第2アームとに関する合計長のうち第2アームの比率が55%以上65%以下であるため、ロボットの可動範囲を一層拡大できる。
【0014】
また、請求項3の発明においては、産業用ロボットが水平多関節ロボットとして構成されているため、精度の高い組立作業を行える。
【0015】
また、請求項4の発明においては、第2アームが第1アームより長い2台のロボットのの可動範囲が重なる共通可動範囲が作業台上に規定されているため、共通可動範囲の拡大が図れる。
【0016】
また、請求項5の発明においては、第2アームが第1アームより長い1台のロボットのの可動範囲と、他のロボット(例えば従来型のロボット)の可動範囲とが重なる共通可動範囲が作業台上に規定されているため、共通可動範囲の拡大が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
<組立装置の構成>
図1は、本発明の実施形態に係る産業用ロボット1を有する組立装置100の要部構成を示す正面図である。
【0018】
組立装置100は、正立姿勢で配置される産業用ロボット(以下では単に「ロボット」という)1と、立体フレーム構造を有するフレーム構造体2とを備えている。
【0019】
<フレーム構造体2の要部構成>
フレーム構造体2においては、角棒状の形状を有する例えばアルミ製のフレーム部材(以下では単に「フレーム」という)21の群によって立体構造が形成されている。
【0020】
また、フレーム構造体2では、鉛直方向(Z軸方向)に沿ってロボット1の周囲に配置される4本のフレーム21aを含む複数のフレーム21により、ロボット1を内包する直方体状の立体構造が形成されている。
【0021】
また、フレーム構造体2は、金属製のプレート22を固定するために水平方向に沿って配置された複数のフレーム21bを備えている。そして、プレート22がフレーム21bで支持されることにより、プレート22の上面に固定されているロボット1が組立作業を行うための作業台WDとして機能する。
【0022】
以上のようなフレーム構造体2の構成により、ロボット1を含むロボット部のモジュール化が図れる。また、フレーム構造にすることにより、安全柵、安全機器(安全スイッチ、非常停止スイッチ、ライトカーテン、エリアセンサ等)が取付けやすくなるとともに取付け構造の標準化が可能となり、安全機能をモジュール化できることとなる。
【0023】
図2は、作業台WDを上方から見た平面図である。
【0024】
作業台WD上には、部品や組立体などの被収容物を収容する複数のトレイ3が載置されるとともに、部品等が保持される組立用治具4(図1参照)をセットするための複数の治具ホルダ40が設置されている。以下では、トレイ3と組立用治具4とについて順に説明する。
【0025】
図3は、トレイ3に載置される部品等の様子を示す斜視図である。
【0026】
図3(a)に示すように、中子31の整列孔32のそれぞれに部品91が挿入されることで、整列が行われる。ここで、整列孔32の形状は、部品91の形状に対応しており、これにより部品91の位置が整列孔32によって規制される。図3(b)に示すように、部品92についても、その形状に対応した整列孔34を有する中子33により、トレイ3に整列される。
【0027】
また、図3(c)に示すように、上記の部品91、92を含む複数の部品から組み立てられた組立体93については、上記の整列孔32、34の代わりに整列突起36を有する中子35によりトレイ3に整列が行われる。ここでは、整列突起36の間に、組立体93が挟み込まれて固定されることとなる。
【0028】
図4は、組立用治具4A、4Bおよび治具ホルダ40の例を示す斜視図である。図4(a)に示す組立用冶具4Aは、部品等を保持する部品保持部41および、治具ホルダ40に着脱自在に接続するホルダ接続部42を備えている。図4(b)に示す組立用治具4Bも、同様に部品等を保持する部品保持部43および、治具ホルダ40に着脱自在に接続するホルダ接続部44を備えている。また、図4(c)に示す治具ホルダ40は、その底面が作業台WDの上面に固定されており、組立用冶具4(4A、4B)を載置する冶具載置部45を備えている。この冶具載置部45は、突起部46を有しており、この突起部46がホルダ接続部42、44の底面に設けられている穴(図示せず)に嵌合することで、組立用治具4(4A、4B)を保持するとともに、治具ホルダ40に対する組立用治具4(4A、4B)の位置決めが行われる。
【0029】
以上のようなトレイ3および組立用治具4により、必要な部品を載置したトレイ3を作業台WD上にセットすることでロボット1の組立作業に対する部品供給を行えるとともに、組立用治具4を使用して組み立てられた組立体を作業台WD上のトレイ3に収容できることとなる。ここで、部品が載置されたトレイ3を作業台WDに搬入するトレイ搬入動作と、組立体が収容されたトレイ3を作業台WDから搬出するトレイ搬出動作とを自動化すれば、人手に頼ることなく円滑な組立作業が可能となる。
【0030】
次に、ロボット1の構成について説明する。
【0031】
<ロボット1の要部構成>
図5は、ロボット1の要部構成を示す斜視図である。
【0032】
ロボット1は、鉛直軸まわりの3つの旋回自由度のアーム結合の先端に鉛直軸方向の1つの伸縮自由度を持たせた4自由度の水平多関節ロボットとして構成されている。よって、ロボット1では部品91などのワーク8を把持して上下方向に部品を組み付ける作業が可能となっている。
【0033】
ロボット1は、作業台WD上の所定位置に配置されるベース部10と、ベース部10に肩関節部Jsを介して接続するアーム部11と、アーム部11の先端部に手首関節部Jhを介して接続するハンド部12とを備えている。
【0034】
ハンド部12は、短尺の円筒形状を有し手首関節部Jhに着脱自在に連結する連結部121と、連結部121に接続するハンド本体122と、ハンド本体122に接続する4つのチャック部123とを備えている。このチャック部123では、エアー配管などを介して供給される駆動エアー(圧縮空気)によって、部品91(図3)などのワーク8を把持することが可能である。
【0035】
肩関節部Jsは、鉛直軸回りに回動可能な水平関節(以下では「第1関節」という)J1を有している。また、手首関節部Jhは、鉛直軸回りに回動可能な回転関節(以下では「第3関節」という)J3とハンド部12を鉛直軸方向に昇降させる直動関節(以下では「第4関節」という)J4とを備えている。
【0036】
アーム部11は、肩関節部Jsに接続する第1アーム(上腕)111と、鉛直軸回りに回動可能な水平関節(以下では「第2関節」という)J2を介して第1アーム111に接続する第2アーム(前腕)112とを備えている。
【0037】
そして、アーム部11では、第2アーム112の長さ(第2関節J2の回転中心から第3関節J3の回転中心までの水平距離)L2が、第1アーム111の長さ(第1関節J1の回転中心から第2関節J2の回転中心までの水平距離)L1に対して約1.5倍の長さとなっている。このように第2アーム112が第1アーム111より長くなっているため、これらのアームを肘関節の第2関節J2で折り畳んだ屈曲状態において第1関節J1による水平旋回を行う場合でも、その最小旋回半径Rmin(図2)は、従来型のロボット5(図12)のような第1アームの制約を必ずしも受けなくなる。このため、従来に比べて最大リーチ半径Rmax(図2)に対する最小旋回半径Rminの比率を低く抑えることが可能になるが、これについて以下で詳しく説明する。
【0038】
<最小旋回半径について>
一般に産業用ロボットでは、アーム全長に対応する最大リーチ半径に対して上述の最小旋回半径の比率が低くなると、最大リーチ半径と最小旋回半径とに挟まれる作業可能領域が広がり、ロボットの可動範囲の拡大を図れることとなる。
【0039】
一方、複数の産業用ロボットが協働して組立作業を行う組立装置でも、最大リーチ半径に対する最小旋回半径の割合を小さくできれば、各ロボットが協調して作業できる共通のエリアを広く設定できることとなる。この共通エリアについて以下で説明する。
【0040】
まず、上述したロボット1と同様の構成を有する2台のロボット1A、1Bが上記のフレーム構造体2内の作業台WD上に配置された組立装置を考える。ここで、図6に示すように作業台における各ロボット1A、1Bの可動範囲を一部が欠けた略リング状のエリアEa、Ebとすると、各エリア(各ロボットの可動範囲)Ea、Ebの重なるエリアEcが共通エリア(共通可動範囲)として規定されることとなる。すなわち、共通エリアEcは、次の式(1)のように定義される。
【0041】
【数1】
【0042】
2台のロボットを有する組立装置では、一方のロボットが共通エリアEcで作業を行っている場合でも、作業効率向上の観点から他方のロボットのアームが共通エリアEc付近を自由に横断できるのが好ましい。これには、このアーム横断時にロボットの折り畳んだアームが共通エリアEcに干渉しないこと、つまり図6に示すロボットの最小旋回半径の内部領域(最小旋回エリア)Ef、Egと重なるエリアEiを共通エリアEcから除外した範囲に共通エリアEcを設定することが必要となる。すなわち、共通エリアEcは、次の式(2)で規定される領域に設定するのが好ましい。
【0043】
【数2】
【0044】
以上のように設定される共通エリアEcを広く確保できればロボットによる作業のバリエーションが増加するが、単にアーム全長の大きいロボットを採用しても、それに比例して最小旋回領域が大きくなるため、図6に示すエリアEiも拡大することとなる。ここで、拡大するエリアEiを小さくするにはロボット間の距離を拡げなければならないため、組立装置全体のサイズが増大する。しかし、組立装置全体のサイズは設置スペースによる制約があるため、サイズを無制限に大きくできない。一方、上述の組立装置100のような組立装置では、フレーム構造体2に収容できるサイズのロボットが選定されることとなる。
【0045】
そこで、ロボットのサイズ(アーム全長)が同じでも比較的広い共通エリアEcを確保できる方法について以下で説明する。
【0046】
図7に示すようにロボット1A、1B間のピッチ(距離)をLp、ロボットの動作可能限界である動作可能半径をRa、Rbとし、最小旋回半径をRf、Rgとする。また、ロボット1A、1Bの旋回中心点をCa、Cbとし、共通エリアEc内の各旋回中心点Ca、Cbを結ぶ直線上においてロボット1A、1Bから最も遠くなる点(最遠点)をQb、Qaとする。なお、これら各点に関するXY座標をCa=(0,0)、Cb=(Cbx,Cby)、Qa=(Qax,Qay)、Qb=(Qbx,Qby)とし、共通エリアEcの最大幅(最遠点Qa、Qb間の距離)をWcとする。
【0047】
このようなロボット1A、1Bの共通エリアEcについては、ロボット1A、1Bの最小旋回半径Rf、Rg内に他方のロボットの最遠点Qa、Qbが入らないように設定することが重要となる。よって、広い共通エリアEcを確保するには、ロボット1Aの最小旋回半径Rf上にロボット1Bの最遠点Qaを配置させるとともに、ロボット1Bの最小旋回半径Rg上にロボット1Aの最遠点Qbを配置させるのが好ましいこととなる。
【0048】
この条件を数式化すると、ロボット間の条件として次の式(3)〜(4)が、ロボット1A固有の条件として次の式(5)〜(6)が、ロボット1B固有の条件として次の式(7)〜(8)が成立する。
【0049】
【数3】
【0050】
以上の式(3)〜(8)を満足するように共通エリアEcの設定を行えば良いが、ロボットの最大リーチ半径が同じでもより広い共通エリアEcを確保するためには、最大リーチ半径に対する最小旋回半径の比率を低くすることが効果的となる。
【0051】
このようにロボット間の共通エリアEcの拡大や、上述したロボット単独での可動範囲の拡大に貢献する最小旋回半径の低減について、ロボット1で具体的に考察する。
【0052】
まず、上面図を表す図8のようにロボット1の第2関節J2の回動角度をθとし、第2関節J2(第1アーム111の先端部および第2アーム112の根元部)および第3関節J3(第2アーム112の先端部)における外形面の曲率半径をR2、R3とする。
【0053】
そして、図8に示すように第1・第2アーム111、112を伸ばした伸張状態で第1関節J1によりアームの旋回を行う場合に、第1関節J1の回転中心から最も遠くなる第2関節J2および第3関節J3の外形が描く円(円弧)の半径(以下では「第2関節回転半径」および「第3関節回転半径」という)をD1、D2とする。これらの第2関節回転半径D1および第3関節回転半径D2を、図9に示すように第2関節J2でアームを折り曲げた状態も考慮して一般化すると、次の式(9)〜(10)が成り立つ。
【0054】
【数4】
【0055】
そして、上式(9)〜(10)において、D1≧D2の場合にはロボット1の最小旋回半径は第2関節回転半径D1となり、D1<D2の場合には最小旋回半径は第3関節回転半径D2となる。
【0056】
この最小旋回半径については、第1アーム111の長さと第2アーム112の長さとの比率に応じて変化する。アーム全長(第1アーム111の長さ+第2アーム112の長さ)に対する最小旋回半径の割合が最低となる第1アーム111および第2アーム112の比率を求めた結果を図10に示す。なお、図10では、アーム全長350mm〜1050mmの一般的な水平多関節ロボットにおいて、アームを折り畳むために第2関節J2の回転角度θを128°〜160°に設定した場合のシミュレーション結果を示している。
【0057】
図10のシミュレーション結果をグラフ化すると図11のようになる。図11において、横軸は第2関節J2の回転角度を示し、縦軸はアーム全長(100%)に対する第1アームおよび第2アームの比率(%)を示している。
【0058】
組立作業等を行う一般的な水平多関節ロボットにおいて第2関節の回転限界は約128°〜158°の範囲内となることが多いため、この範囲を考慮した第1アーム111の長さおよび第2アーム112の長さの比率をロボット1で採用することとする。すなわち、ロボット1では、第1アーム111と第2アーム112とに関する合計長(アーム全長)のうち第2アーム112の長さの比率が55%以上65%以下となるようにする(図11参照)。より好適には、第1アーム111の長さと第2アーム112の長さとの比を約4:6、換言すれば第2アーム112の長さを第1アーム111に対して約1.5とする。
【0059】
以上のような比率を有する第1アーム111および第2アーム112により、ロボット1の最大リーチ半径に対する最小旋回半径の比率を低減できるため、ロボット1単体の可動範囲の拡大が図れるとともに、上述した複数のロボット間の共通エリアを拡大できる。
【0060】
<変形例>
上記の実施形態における共通エリアEc(図6)については、図5に示すロボット1と同様の構成を有する2台のロボットにおいてそれらの可動範囲が重なるエリアとして規定されるのは必須でなく、図5に示すロボット1の可動範囲と、ロボット1と異なる構成を有するロボット、例えば図12に示す従来型の他のロボット5の可動範囲とが重なるエリアとして規定されても良い。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1】本発明の実施形態に係る産業用ロボット1を有する組立装置100の要部構成を示す正面図である。
【図2】作業台WDを上方から見た平面図である。
【図3】トレイ3に載置される部品等の様子を示す斜視図である。
【図4】組立用治具4A、4Bおよび治具ホルダ40の例を示す斜視図である。
【図5】ロボット1の要部構成を示す斜視図である。
【図6】ロボット間の共通エリアについて説明するための図である。
【図7】ロボット間の共通エリアについて説明するための図である。
【図8】ロボット1の最小旋回半径を説明するための図である。
【図9】ロボット1の最小旋回半径を説明するための図である。
【図10】アーム全長に対する最小旋回半径の割合が最低となる第1アーム111および第2アーム112の比率を求めた結果を示す図である。
【図11】アーム全長に対する最小旋回半径の割合が最低となる第1アーム111および第2アーム112の比率を求めた結果を示す図である。
【図12】本発明の従来技術に係る水平多関節ロボット5を示す斜視図である。
【符号の説明】
【0062】
1 ロボット
5 従来型のロボット
11、51 アーム部
111、511 第1アーム
112、512 第2アーム
D1 第2関節回転半径
D2 第3関節回転半径
Ec ロボット間の共通エリア
Ef、Eg 最小旋回エリア
J1〜J4 第1〜第4関節
L1、La 第1アームの長さ
L2、Lb 第2アームの長さ
Ra、Rb 最大リーチ半径
Rf、Rg 最小旋回半径
WD 作業台
θ 第2関節の回転角度
【技術分野】
【0001】
本発明は、ベース部とアーム部とを備える産業用ロボットの技術に関する。
【背景技術】
【0002】
多点数の部品から構成される組立体を産業用ロボットにより自動的に組み立てる組立装置が知られている。
【0003】
例えば特許文献1に開示される組立装置においては、図12に示すロボット5のような構成を有する水平多関節ロボットを用いて組立作業が行われる。
【0004】
【特許文献1】特開2000−354919号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記の水平多関節ロボットでは、図12に示すように第1アーム511の長さLaが第2アーム512の長さLbより長いため、これらのアームを第2関節J2で折り畳んだ屈曲状態でベース部50を中心に第1アーム511を旋回させた場合、その最小旋回半径(最小回転半径)は必ず第1アーム511の制約を受け、第1アーム511の長さ以下となることはない。これでは、ロボットの最大リーチ半径に対する最小旋回半径の比率が必ずしも低く抑えられているとはいえず、ロボットの可動範囲の拡大が適切に図れているとは限らない。
【0006】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、可動範囲の拡大が図れる産業用ロボットの技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の課題を解決するため、請求項1の発明は、産業用ロボットであって、(a)ベース部と、(b)前記ベース部に第1の水平関節を介して接続する第1アームと、(c)前記第1アームに第2の水平関節を介して接続する第2アームとを備え、前記第2アームは、前記第1アームより長い。
【0008】
また、請求項2の発明は、請求項1の発明に係る産業用ロボットにおいて、前記第1アームと前記第2アームとに関する合計長のうち前記第2アームの比率は、55%以上65%以下である。
【0009】
また、請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明に係る産業用ロボットにおいて、前記産業用ロボットは、水平多関節ロボットとして構成されている。
【0010】
また、請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明に係る産業用ロボットとして構成される2台のロボットを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、前記作業台上には、前記2台のロボットの可動範囲が重なる共通可動範囲が規定されている。
【0011】
また、請求項5の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明に係る産業用ロボットとして構成される1台のロボットと、前記1台のロボットと異なる構成を有する他のロボットとを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、前記作業台上には、前記1台のロボットの可動範囲と前記他のロボットの可動範囲とが重なる共通可動範囲が規定されている。
【発明の効果】
【0012】
請求項1ないし請求項4の発明によれば、ベース部に第1の水平関節を介して接続する第1アームより、第1アームに第2の水平関節を介して接続する第2アームが長いため、ロボットの可動範囲の拡大が図れる。
【0013】
特に、請求項2の発明においては、第1アームと第2アームとに関する合計長のうち第2アームの比率が55%以上65%以下であるため、ロボットの可動範囲を一層拡大できる。
【0014】
また、請求項3の発明においては、産業用ロボットが水平多関節ロボットとして構成されているため、精度の高い組立作業を行える。
【0015】
また、請求項4の発明においては、第2アームが第1アームより長い2台のロボットのの可動範囲が重なる共通可動範囲が作業台上に規定されているため、共通可動範囲の拡大が図れる。
【0016】
また、請求項5の発明においては、第2アームが第1アームより長い1台のロボットのの可動範囲と、他のロボット(例えば従来型のロボット)の可動範囲とが重なる共通可動範囲が作業台上に規定されているため、共通可動範囲の拡大が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
<組立装置の構成>
図1は、本発明の実施形態に係る産業用ロボット1を有する組立装置100の要部構成を示す正面図である。
【0018】
組立装置100は、正立姿勢で配置される産業用ロボット(以下では単に「ロボット」という)1と、立体フレーム構造を有するフレーム構造体2とを備えている。
【0019】
<フレーム構造体2の要部構成>
フレーム構造体2においては、角棒状の形状を有する例えばアルミ製のフレーム部材(以下では単に「フレーム」という)21の群によって立体構造が形成されている。
【0020】
また、フレーム構造体2では、鉛直方向(Z軸方向)に沿ってロボット1の周囲に配置される4本のフレーム21aを含む複数のフレーム21により、ロボット1を内包する直方体状の立体構造が形成されている。
【0021】
また、フレーム構造体2は、金属製のプレート22を固定するために水平方向に沿って配置された複数のフレーム21bを備えている。そして、プレート22がフレーム21bで支持されることにより、プレート22の上面に固定されているロボット1が組立作業を行うための作業台WDとして機能する。
【0022】
以上のようなフレーム構造体2の構成により、ロボット1を含むロボット部のモジュール化が図れる。また、フレーム構造にすることにより、安全柵、安全機器(安全スイッチ、非常停止スイッチ、ライトカーテン、エリアセンサ等)が取付けやすくなるとともに取付け構造の標準化が可能となり、安全機能をモジュール化できることとなる。
【0023】
図2は、作業台WDを上方から見た平面図である。
【0024】
作業台WD上には、部品や組立体などの被収容物を収容する複数のトレイ3が載置されるとともに、部品等が保持される組立用治具4(図1参照)をセットするための複数の治具ホルダ40が設置されている。以下では、トレイ3と組立用治具4とについて順に説明する。
【0025】
図3は、トレイ3に載置される部品等の様子を示す斜視図である。
【0026】
図3(a)に示すように、中子31の整列孔32のそれぞれに部品91が挿入されることで、整列が行われる。ここで、整列孔32の形状は、部品91の形状に対応しており、これにより部品91の位置が整列孔32によって規制される。図3(b)に示すように、部品92についても、その形状に対応した整列孔34を有する中子33により、トレイ3に整列される。
【0027】
また、図3(c)に示すように、上記の部品91、92を含む複数の部品から組み立てられた組立体93については、上記の整列孔32、34の代わりに整列突起36を有する中子35によりトレイ3に整列が行われる。ここでは、整列突起36の間に、組立体93が挟み込まれて固定されることとなる。
【0028】
図4は、組立用治具4A、4Bおよび治具ホルダ40の例を示す斜視図である。図4(a)に示す組立用冶具4Aは、部品等を保持する部品保持部41および、治具ホルダ40に着脱自在に接続するホルダ接続部42を備えている。図4(b)に示す組立用治具4Bも、同様に部品等を保持する部品保持部43および、治具ホルダ40に着脱自在に接続するホルダ接続部44を備えている。また、図4(c)に示す治具ホルダ40は、その底面が作業台WDの上面に固定されており、組立用冶具4(4A、4B)を載置する冶具載置部45を備えている。この冶具載置部45は、突起部46を有しており、この突起部46がホルダ接続部42、44の底面に設けられている穴(図示せず)に嵌合することで、組立用治具4(4A、4B)を保持するとともに、治具ホルダ40に対する組立用治具4(4A、4B)の位置決めが行われる。
【0029】
以上のようなトレイ3および組立用治具4により、必要な部品を載置したトレイ3を作業台WD上にセットすることでロボット1の組立作業に対する部品供給を行えるとともに、組立用治具4を使用して組み立てられた組立体を作業台WD上のトレイ3に収容できることとなる。ここで、部品が載置されたトレイ3を作業台WDに搬入するトレイ搬入動作と、組立体が収容されたトレイ3を作業台WDから搬出するトレイ搬出動作とを自動化すれば、人手に頼ることなく円滑な組立作業が可能となる。
【0030】
次に、ロボット1の構成について説明する。
【0031】
<ロボット1の要部構成>
図5は、ロボット1の要部構成を示す斜視図である。
【0032】
ロボット1は、鉛直軸まわりの3つの旋回自由度のアーム結合の先端に鉛直軸方向の1つの伸縮自由度を持たせた4自由度の水平多関節ロボットとして構成されている。よって、ロボット1では部品91などのワーク8を把持して上下方向に部品を組み付ける作業が可能となっている。
【0033】
ロボット1は、作業台WD上の所定位置に配置されるベース部10と、ベース部10に肩関節部Jsを介して接続するアーム部11と、アーム部11の先端部に手首関節部Jhを介して接続するハンド部12とを備えている。
【0034】
ハンド部12は、短尺の円筒形状を有し手首関節部Jhに着脱自在に連結する連結部121と、連結部121に接続するハンド本体122と、ハンド本体122に接続する4つのチャック部123とを備えている。このチャック部123では、エアー配管などを介して供給される駆動エアー(圧縮空気)によって、部品91(図3)などのワーク8を把持することが可能である。
【0035】
肩関節部Jsは、鉛直軸回りに回動可能な水平関節(以下では「第1関節」という)J1を有している。また、手首関節部Jhは、鉛直軸回りに回動可能な回転関節(以下では「第3関節」という)J3とハンド部12を鉛直軸方向に昇降させる直動関節(以下では「第4関節」という)J4とを備えている。
【0036】
アーム部11は、肩関節部Jsに接続する第1アーム(上腕)111と、鉛直軸回りに回動可能な水平関節(以下では「第2関節」という)J2を介して第1アーム111に接続する第2アーム(前腕)112とを備えている。
【0037】
そして、アーム部11では、第2アーム112の長さ(第2関節J2の回転中心から第3関節J3の回転中心までの水平距離)L2が、第1アーム111の長さ(第1関節J1の回転中心から第2関節J2の回転中心までの水平距離)L1に対して約1.5倍の長さとなっている。このように第2アーム112が第1アーム111より長くなっているため、これらのアームを肘関節の第2関節J2で折り畳んだ屈曲状態において第1関節J1による水平旋回を行う場合でも、その最小旋回半径Rmin(図2)は、従来型のロボット5(図12)のような第1アームの制約を必ずしも受けなくなる。このため、従来に比べて最大リーチ半径Rmax(図2)に対する最小旋回半径Rminの比率を低く抑えることが可能になるが、これについて以下で詳しく説明する。
【0038】
<最小旋回半径について>
一般に産業用ロボットでは、アーム全長に対応する最大リーチ半径に対して上述の最小旋回半径の比率が低くなると、最大リーチ半径と最小旋回半径とに挟まれる作業可能領域が広がり、ロボットの可動範囲の拡大を図れることとなる。
【0039】
一方、複数の産業用ロボットが協働して組立作業を行う組立装置でも、最大リーチ半径に対する最小旋回半径の割合を小さくできれば、各ロボットが協調して作業できる共通のエリアを広く設定できることとなる。この共通エリアについて以下で説明する。
【0040】
まず、上述したロボット1と同様の構成を有する2台のロボット1A、1Bが上記のフレーム構造体2内の作業台WD上に配置された組立装置を考える。ここで、図6に示すように作業台における各ロボット1A、1Bの可動範囲を一部が欠けた略リング状のエリアEa、Ebとすると、各エリア(各ロボットの可動範囲)Ea、Ebの重なるエリアEcが共通エリア(共通可動範囲)として規定されることとなる。すなわち、共通エリアEcは、次の式(1)のように定義される。
【0041】
【数1】
【0042】
2台のロボットを有する組立装置では、一方のロボットが共通エリアEcで作業を行っている場合でも、作業効率向上の観点から他方のロボットのアームが共通エリアEc付近を自由に横断できるのが好ましい。これには、このアーム横断時にロボットの折り畳んだアームが共通エリアEcに干渉しないこと、つまり図6に示すロボットの最小旋回半径の内部領域(最小旋回エリア)Ef、Egと重なるエリアEiを共通エリアEcから除外した範囲に共通エリアEcを設定することが必要となる。すなわち、共通エリアEcは、次の式(2)で規定される領域に設定するのが好ましい。
【0043】
【数2】
【0044】
以上のように設定される共通エリアEcを広く確保できればロボットによる作業のバリエーションが増加するが、単にアーム全長の大きいロボットを採用しても、それに比例して最小旋回領域が大きくなるため、図6に示すエリアEiも拡大することとなる。ここで、拡大するエリアEiを小さくするにはロボット間の距離を拡げなければならないため、組立装置全体のサイズが増大する。しかし、組立装置全体のサイズは設置スペースによる制約があるため、サイズを無制限に大きくできない。一方、上述の組立装置100のような組立装置では、フレーム構造体2に収容できるサイズのロボットが選定されることとなる。
【0045】
そこで、ロボットのサイズ(アーム全長)が同じでも比較的広い共通エリアEcを確保できる方法について以下で説明する。
【0046】
図7に示すようにロボット1A、1B間のピッチ(距離)をLp、ロボットの動作可能限界である動作可能半径をRa、Rbとし、最小旋回半径をRf、Rgとする。また、ロボット1A、1Bの旋回中心点をCa、Cbとし、共通エリアEc内の各旋回中心点Ca、Cbを結ぶ直線上においてロボット1A、1Bから最も遠くなる点(最遠点)をQb、Qaとする。なお、これら各点に関するXY座標をCa=(0,0)、Cb=(Cbx,Cby)、Qa=(Qax,Qay)、Qb=(Qbx,Qby)とし、共通エリアEcの最大幅(最遠点Qa、Qb間の距離)をWcとする。
【0047】
このようなロボット1A、1Bの共通エリアEcについては、ロボット1A、1Bの最小旋回半径Rf、Rg内に他方のロボットの最遠点Qa、Qbが入らないように設定することが重要となる。よって、広い共通エリアEcを確保するには、ロボット1Aの最小旋回半径Rf上にロボット1Bの最遠点Qaを配置させるとともに、ロボット1Bの最小旋回半径Rg上にロボット1Aの最遠点Qbを配置させるのが好ましいこととなる。
【0048】
この条件を数式化すると、ロボット間の条件として次の式(3)〜(4)が、ロボット1A固有の条件として次の式(5)〜(6)が、ロボット1B固有の条件として次の式(7)〜(8)が成立する。
【0049】
【数3】
【0050】
以上の式(3)〜(8)を満足するように共通エリアEcの設定を行えば良いが、ロボットの最大リーチ半径が同じでもより広い共通エリアEcを確保するためには、最大リーチ半径に対する最小旋回半径の比率を低くすることが効果的となる。
【0051】
このようにロボット間の共通エリアEcの拡大や、上述したロボット単独での可動範囲の拡大に貢献する最小旋回半径の低減について、ロボット1で具体的に考察する。
【0052】
まず、上面図を表す図8のようにロボット1の第2関節J2の回動角度をθとし、第2関節J2(第1アーム111の先端部および第2アーム112の根元部)および第3関節J3(第2アーム112の先端部)における外形面の曲率半径をR2、R3とする。
【0053】
そして、図8に示すように第1・第2アーム111、112を伸ばした伸張状態で第1関節J1によりアームの旋回を行う場合に、第1関節J1の回転中心から最も遠くなる第2関節J2および第3関節J3の外形が描く円(円弧)の半径(以下では「第2関節回転半径」および「第3関節回転半径」という)をD1、D2とする。これらの第2関節回転半径D1および第3関節回転半径D2を、図9に示すように第2関節J2でアームを折り曲げた状態も考慮して一般化すると、次の式(9)〜(10)が成り立つ。
【0054】
【数4】
【0055】
そして、上式(9)〜(10)において、D1≧D2の場合にはロボット1の最小旋回半径は第2関節回転半径D1となり、D1<D2の場合には最小旋回半径は第3関節回転半径D2となる。
【0056】
この最小旋回半径については、第1アーム111の長さと第2アーム112の長さとの比率に応じて変化する。アーム全長(第1アーム111の長さ+第2アーム112の長さ)に対する最小旋回半径の割合が最低となる第1アーム111および第2アーム112の比率を求めた結果を図10に示す。なお、図10では、アーム全長350mm〜1050mmの一般的な水平多関節ロボットにおいて、アームを折り畳むために第2関節J2の回転角度θを128°〜160°に設定した場合のシミュレーション結果を示している。
【0057】
図10のシミュレーション結果をグラフ化すると図11のようになる。図11において、横軸は第2関節J2の回転角度を示し、縦軸はアーム全長(100%)に対する第1アームおよび第2アームの比率(%)を示している。
【0058】
組立作業等を行う一般的な水平多関節ロボットにおいて第2関節の回転限界は約128°〜158°の範囲内となることが多いため、この範囲を考慮した第1アーム111の長さおよび第2アーム112の長さの比率をロボット1で採用することとする。すなわち、ロボット1では、第1アーム111と第2アーム112とに関する合計長(アーム全長)のうち第2アーム112の長さの比率が55%以上65%以下となるようにする(図11参照)。より好適には、第1アーム111の長さと第2アーム112の長さとの比を約4:6、換言すれば第2アーム112の長さを第1アーム111に対して約1.5とする。
【0059】
以上のような比率を有する第1アーム111および第2アーム112により、ロボット1の最大リーチ半径に対する最小旋回半径の比率を低減できるため、ロボット1単体の可動範囲の拡大が図れるとともに、上述した複数のロボット間の共通エリアを拡大できる。
【0060】
<変形例>
上記の実施形態における共通エリアEc(図6)については、図5に示すロボット1と同様の構成を有する2台のロボットにおいてそれらの可動範囲が重なるエリアとして規定されるのは必須でなく、図5に示すロボット1の可動範囲と、ロボット1と異なる構成を有するロボット、例えば図12に示す従来型の他のロボット5の可動範囲とが重なるエリアとして規定されても良い。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1】本発明の実施形態に係る産業用ロボット1を有する組立装置100の要部構成を示す正面図である。
【図2】作業台WDを上方から見た平面図である。
【図3】トレイ3に載置される部品等の様子を示す斜視図である。
【図4】組立用治具4A、4Bおよび治具ホルダ40の例を示す斜視図である。
【図5】ロボット1の要部構成を示す斜視図である。
【図6】ロボット間の共通エリアについて説明するための図である。
【図7】ロボット間の共通エリアについて説明するための図である。
【図8】ロボット1の最小旋回半径を説明するための図である。
【図9】ロボット1の最小旋回半径を説明するための図である。
【図10】アーム全長に対する最小旋回半径の割合が最低となる第1アーム111および第2アーム112の比率を求めた結果を示す図である。
【図11】アーム全長に対する最小旋回半径の割合が最低となる第1アーム111および第2アーム112の比率を求めた結果を示す図である。
【図12】本発明の従来技術に係る水平多関節ロボット5を示す斜視図である。
【符号の説明】
【0062】
1 ロボット
5 従来型のロボット
11、51 アーム部
111、511 第1アーム
112、512 第2アーム
D1 第2関節回転半径
D2 第3関節回転半径
Ec ロボット間の共通エリア
Ef、Eg 最小旋回エリア
J1〜J4 第1〜第4関節
L1、La 第1アームの長さ
L2、Lb 第2アームの長さ
Ra、Rb 最大リーチ半径
Rf、Rg 最小旋回半径
WD 作業台
θ 第2関節の回転角度
【特許請求の範囲】
【請求項1】
産業用ロボットであって、
(a)ベース部と、
(b)前記ベース部に第1の水平関節を介して接続する第1アームと、
(c)前記第1アームに第2の水平関節を介して接続する第2アームと、
を備え、
前記第2アームは、前記第1アームより長いことを特徴とする産業用ロボット。
【請求項2】
請求項1に記載の産業用ロボットにおいて、
前記第1アームと前記第2アームとに関する合計長のうち前記第2アームの比率は、55%以上65%以下であることを特徴とする産業用ロボット。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の産業用ロボットにおいて、
前記産業用ロボットは、水平多関節ロボットとして構成されていることを特徴とする産業用ロボット。
【請求項4】
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の産業用ロボットとして構成される2台のロボットを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、
前記作業台上には、前記2台のロボットの可動範囲が重なる共通可動範囲が規定されていることを特徴とする組立装置。
【請求項5】
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の産業用ロボットとして構成される1台のロボットと、前記1台のロボットと異なる構成を有する他のロボットとを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、
前記作業台上には、前記1台のロボットの可動範囲と前記他のロボットの可動範囲とが重なる共通可動範囲が規定されていることを特徴とする組立装置。
【請求項1】
産業用ロボットであって、
(a)ベース部と、
(b)前記ベース部に第1の水平関節を介して接続する第1アームと、
(c)前記第1アームに第2の水平関節を介して接続する第2アームと、
を備え、
前記第2アームは、前記第1アームより長いことを特徴とする産業用ロボット。
【請求項2】
請求項1に記載の産業用ロボットにおいて、
前記第1アームと前記第2アームとに関する合計長のうち前記第2アームの比率は、55%以上65%以下であることを特徴とする産業用ロボット。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の産業用ロボットにおいて、
前記産業用ロボットは、水平多関節ロボットとして構成されていることを特徴とする産業用ロボット。
【請求項4】
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の産業用ロボットとして構成される2台のロボットを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、
前記作業台上には、前記2台のロボットの可動範囲が重なる共通可動範囲が規定されていることを特徴とする組立装置。
【請求項5】
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の産業用ロボットとして構成される1台のロボットと、前記1台のロボットと異なる構成を有する他のロボットとを含む複数の産業用ロボットにより作業台上で組立作業が行われる組立装置であって、
前記作業台上には、前記1台のロボットの可動範囲と前記他のロボットの可動範囲とが重なる共通可動範囲が規定されていることを特徴とする組立装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2007−168004(P2007−168004A)
【公開日】平成19年7月5日(2007.7.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−367990(P2005−367990)
【出願日】平成17年12月21日(2005.12.21)
【出願人】(000000309)IDEC株式会社 (188)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年7月5日(2007.7.5)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年12月21日(2005.12.21)
【出願人】(000000309)IDEC株式会社 (188)
【Fターム(参考)】
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