JP7294856B2 - ロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット装置に関する。

特許文献１は、台座、ベース部、下部アーム、上部アーム、第１アーム、第２アームおよび手首部を備えた７軸ロボットを開示している。第１アームは、上部アームの先端部に第１軸周りに回転可能に支持される。第２アームは、第１アームの先端部に第２軸周りに揺動可能に支持される。手首部は第２アームの先端部に設けられ、手首部にはエンドエフェクタが取り付けられる。

特許文献１は、７軸ロボットで自動化される作業の一例として、箱状ワーク内でのシール材塗布を例示している。この例では、台座がワーク外に設置される。上部および下部アームは台座上のベース部から上方へ延び、上部アームの先端がワーク上縁よりも上方に位置する。第１アームは上部アームから略水平に延び、第１アームの先端が平面視でワークの内側領域に位置する。第２アームは、第１アームから下方へ延び、第１アームに対して折り曲げられた姿勢をとる。手首部がワーク内に位置し、エンドエフェクタがシール材を塗布すべき部位と対向される。

特開２０１８－１８３８４３号公報

上記ロボットでは、第２軸が第１軸と直交している。例示の作業を行う場合に手首部およびエンドエフェクタの可動域を拡大させるため、改善の余地がある。

本発明は、可動域を拡大できるロボット装置を提供することを目的としている。

本発明に係るロボット装置は、第１軸周りに回転する第１リンクと、前記第１リンクの先端部に第２軸周りに回転可能に支持される第２リンクと、前記第２リンクの先端部に支持されるハンド部と、を備える。前記第１軸と直交する一方向を第１直交方向、前記第１軸とも前記第１直交方向とも直交する方向を第２直交方向とする。前記第２軸は、前記第１直交方向と平行に延び、前記第１軸から前記第２直交方向に偏位している。

ここで、第２リンクが第１軸と平行に延びる姿勢を「第２リンクの基準姿勢」、第２リンクが、基準姿勢から、第２リンクの先端を第２軸の偏位側に向けるように、回転するときの回転方向を「第１回転方向」、第２リンクが、基準姿勢から、第２リンクの先端を第２軸の偏位側と反対側に向けるように、回転するときの回転方向を「第２回転方向」とする。

前記構成によれば、第２軸が第１軸に対してねじれの位置にある。第２軸は、第１直交方向と平行であるが、第１軸と交差せず、第１軸から第２直交方向に偏位している。ここで、第２軸が第１軸と直交する場合と対比する。第２リンクが第１回転方向に回転したとき、第２リンクの可動域（第２リンクを第１リンク等のロボット装置の部材と干渉させずに第２軸周りに回転できる範囲）が、この比較例と比べて広くなる。付随して、ハンド部の可動域も広くなり、作業性が向上する。

上記例示の作業を行う場合には、例えば、第２軸が第１軸から下方に偏位するよう第１軸の回転角を設定した上で、第２リンクの先端を下側（第２軸の偏位側）に向けるように第２リンクを第２軸周りに回転させればよい。第２リンクの可動域が広くなり、作業性の向上が図られる。

なお、第２軸の第１軸からの偏位量は、製造誤差の範囲を超える距離あるいは寸法としてもよい。誤差範囲内では第２軸が第１軸と交差しない程度に、第２軸が第１軸から偏位されてもよい。

前記第１リンクおよび前記第２リンクに、電気および／または材料を供給する供給ラインを配設するためのライン空間が設けられ、前記ライン空間が、前記第１リンクの中心部に形成されて前記第１リンクの先端部で開口する第１挿通孔と、前記第２リンクの中心部に形成されて前記第２リンクの基端部で開口する第２挿通孔と、前記第１挿通孔の先端開口と前記第２挿通孔の基端開口との間に形成された隙間空間とを含み、前記第２リンクの基準姿勢において、前記第２挿通孔の前記基端開口の中心が、前記第１挿通孔の前記先端開口の中心から前記第２直交方向に偏位していてもよい。

前記構成によれば、供給ラインは、隙間空間内で第２リンクの回転に追従して曲率を変えながら屈曲する。ここで、第２リンクの基準姿勢において、先端開口の中心および基端開口の中心が第１軸上にある場合と対比する。第２リンクが基準姿勢から第１回転方向に回転したときに、先端開口から基端開口までの距離が、この比較例と比べて遠くなる。よって、隙間空間内での供給ラインの曲率が、この比較例と比べて小さくなる。したがって、第２リンクを第１回転方向に回転した場合、供給ラインを保護できる。

本発明によれば、可動域を拡大できるロボット装置を提供できる。

実施形態に係るロボット装置の斜視図である。 実施形態に係る制御装置を示すブロック図である。 実施形態に係る第１リンクおよび第２リンクの側面図である。第２リンクの基準姿勢、第２リンクを第１回転方向に可動域限界まで回転させた状態、および、第２リンクを第２回転方向に可動域限界まで回転させた状態を示す。 実施形態に係る第１リンクおよび第２リンクの側面図である。第２リンクを第１回転方向に比較例の可動域限界と同じ回転角だけ回転させた状態を示す。 比較例に係る第１リンクおよび第２リンクの側面図である。 実施形態に係るロボット装置を用いて行われる作業例を示す図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。

図１は、実施形態に係るロボット装置１を示している。ロボット装置１は、基台２、および、多関節型のロボットアーム３を備えている。基台２は、一例として、水平な設置面上に定置される。ロボットアーム３は、旋回台４、アーム５、第１リンク１１、第２リンク１２およびハンド部１５を備えている。

旋回台４は、基台２に旋回軸Ａ１周りに回転可能に支持される。アーム５は、基端部において旋回台４に支持され、先端部において第１リンク１１を回転可能に支持している。アーム５は、下部アーム６および上部アーム７を含む。下部アーム６の基端部は、旋回台４に下アーム軸Ａ２周りに揺動可能に支持される。上部アーム７は、下部アーム６の先端部に上アーム軸Ａ３周りに揺動可能に支持される。

アーム５の先端部（上部アーム７）に、第１リンク１１の基端部が支持される。第１リンク１１は第１軸Ｌ１周りに回転する。第２リンク１２は、第１リンク１１の先端部に第２軸Ｌ２周りに回転可能に支持される。ハンド部１５は、第２リンク１２の先端部に支持される。ハンド部１５の先端部には、エンドエフェクタ８０（図６参照）が着脱可能に取り付けられる。ハンド部１５は、第３リンク１３および第４リンク１４を含む。第３リンク１３は、第２リンク１２に第３軸Ｌ３周りに回転可能に支持される。第４リンク１４は、第３リンク１３に第４軸Ｌ４周りに回転可能に支持される。エンドエフェクタ８０は、第４リンク１４に取り付けられ、第４リンク１４と共に第３リンク１３に対して第４軸Ｌ４周りに回転できる。

基台２が水平に設置された場合、旋回軸Ａ１が鉛直に向けられ、上下のアーム軸Ａ２，Ａ３が水平に向けられる。上下のアーム軸Ａ２，Ａ３は平行である。第１軸Ｌ１は、第１リンク１１の中心軸と同軸状である。第２軸Ｌ２は、第１軸Ｌ１に対してねじれの位置にある。第２軸Ｌ２は、第１軸Ｌ１と直交する方向に平行に延び、第１軸Ｌ１と交差せず、第１軸Ｌ１から偏位している。第２軸Ｌ２の配置については後述する（図３～図５参照）。第３軸Ｌ３は第２軸Ｌ２と平行である。第４軸Ｌ４は第３軸Ｌ３と直交する。

ロボットアーム３は、複数のリンク部材、隣接するリンク部材を対応の回転軸周りに回転可能に連結する複数の関節と、関節と対応した複数の関節駆動部とを有する。各関節駆動部は、サーボドライバ、サーボモータ、回転角検出器および減速機を含む。各サーボモータは、対応のリンク部材を、対応の回転軸周りに回転駆動する。

本実施形態では、ロボット装置１が、７つのリンク部材４，６，７，１１～１４および７つの関節を有する。７つの回転軸Ａ１～Ａ３，Ｌ１～Ｌ４が７つの関節それぞれに対応し、７つのサーボモータが７つの関節それぞれに対応して設けられている。各サーボモータの回転は、制御装置５０（図２参照）によってサーボ制御される。７つの回転軸Ａ１～Ａ３，Ｌ１～Ｌ４周りの回転角（すなわち、７つのリンク部材４，６，７，１１～１４の姿勢）は、互いに独立して制御されることができる。

図２に示すように、制御装置５０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部５１、ＣＰＵ等の演算部５２、および、サーボ制御部５３を備える。制御装置５０は、例えば、マイクロコントローラ等のコンピュータを備えたロボットコントローラである。制御装置５０は、集中制御する単独の制御装置５０によって構成されてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御装置５０によって構成されてもよい。

記憶部５１には、ロボットコントローラとしての基本プログラム、各種固定データ等の情報が記憶されている。演算部５２は、記憶部５１に記憶された基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、ロボット装置１の各種動作を制御する。例えば、制御装置５０は、記憶部５１に予め記憶されたプログラム、または、作業者により入力された操作に基づいてロボットアーム３の動作を制御する。すなわち、演算部５２は、ロボット装置１の制御指令を生成し、これをサーボ制御部５３に出力する。サーボ制御部５３は、演算部５２により生成された制御指令に基づいて、ロボットアーム３の各関節に対応するサーボモータの駆動を制御するように構成されている。

図３および図４は、実施形態に係る第１リンク１１および第２リンク１２を示す。図１、図３および図４を参照して、第１リンク１１および第２リンク１２には、電気および／または材料を供給する供給ライン８５を配設するためのライン空間４０が設けられている。供給ライン８５は、電気を供給するケーブル、材料を供給するホース、あるいは、ケーブルとホースを一纏めにした統合ラインでもよい。ケーブルは、サーボモータ（特に、ハンド部１５を駆動するもの）あるいはエンドエフェクタ８０（図６参照）に給電する。ホースは、ロボット装置１により行われる作業に必要とされる材料をエンドエフェクタ８０に供給する。材料として、溶接作業に必要な溶接ワイヤや、塗装作業に必要な塗料を例示できる。

ライン空間４０は、第１挿通孔４１、第２挿通孔４２および隙間空間４３を含む。第１挿通孔４１は第１リンク１１の中心部に形成されて第１リンク１１の先端部で開口する。第２挿通孔４２は、第２リンク１２の中心部に形成されて第２リンク１２の基端部で開口する。隙間空間４３は、第１挿通孔４１の先端開口４１ａと第２挿通孔４２の基端開口４２ａとの間に形成される。

第１リンク１１および第２リンク１２の構造の一例として、第１リンク１１は、筒状部１１ａおよび二股部１１ｂを有する。筒状部１１ａは下部アーム６と同程度に長尺であり、筒状部１１ａの基端部がアーム５（上部アーム７）に支持される。第１軸Ｌ１は筒状部１１ａの中心軸と同軸状である。二股部１１ｂは、筒状部１１ａの先端部に形成され、第１リンク１１の先端部を構成する。第２リンク１２は、基端二股部１２ａ、筒状部１２ｂおよび先端二股部１２ｃを有する。筒状部１２ｂは筒状部１１ａよりも短い。基端二股部１２ａは第２リンク１２の基端部を構成し、先端二股部１２ｃは第２リンク１２の先端部を構成する。基端二股部１２ａの一対の外面が二股部１１ｂの一対の内面にそれぞれ接する状態で、第２リンク１２は二股部１１ｂに両持ち支持される。二股部１１ｂの根元となる筒状部１１ａの先端面は、基端二股部１２ａの根元となる筒状部１２ｂの基端面から離れている。なお、先端二股部１２ｃは第３リンク１３を回転可能に両持ち支持する。

第１挿通孔４１は、筒状部１１ａ内で筒状部１１ａの中心軸（すなわち、第１軸Ｌ１）に沿って延在する。第１挿通孔４１の先端開口４１ａは、筒状部１１ａの先端面（二股部１１ｂの根元）で開口している。第２挿通孔４２は、筒状部１２ｂ内で筒状部１２ｂの中心軸に沿って延在する。第２挿通孔４２の基端開口４２ａは、筒状部１２ｂの基端面（基端二股部１２ａの根元）で開口している。隙間空間４３は、筒状部１１ａ，１２ｂ間に形成され、また、基端二股部１２ａの間に形成される。先端開口４１ａおよび基端開口４２ａは隙間空間４３に開放される。先端開口４１ａの中心は筒状部１１ａの中心軸（第１軸Ｌ１）上にある。基端開口４２ａの中心は筒状部１２ｂの中心軸上にある。

供給ライン８５は、第１挿通孔４１内に配設され、先端開口４１ａ、隙間空間４３および基端開口４２ａを通って第２挿通孔４２内に配設される。第２リンク１２が回転すると、基端開口４２ａの先端開口４１ａに対する位置あるいは姿勢が、第２軸Ｌ２周りに変わる。隙間空間４３内では、供給ライン８５が第２リンク１２の姿勢に追従して屈曲する。以下、供給ライン８５のうち、隙間空間４３内の部位を「可折部８５ａ」という。

図５は、比較例に係る第１リンク９１１および第２リンク９１２を示す。実施形態と比較例とで、第１リンクおよび第２リンクの構造は同じであるが、第２軸の第１軸に対する配置が異なる。以下、第２リンクが第１軸と平行に延びる状態を「第２リンクの基準姿勢」という。図示例では、第１軸が水平であり、第２リンクも基準姿勢で水平に延びる。以下、第１軸と直交する一方向を「第１直交方向Ｙ」といい、第１軸とも第１直交方向Ｙとも直交する方向を「第２直交方向Ｚ」という。図示例では、第１軸が紙面の左右方向に向けられている。第１直交方向Ｙは、紙面に垂直な方向と対応し、水平である。第２直交方向Ｚは、紙面の上下方向と対応し、鉛直である。

比較例に係るロボット装置９００では、第２軸Ｌ２´が第１軸Ｌ１´と直交する。第２軸Ｌ２´は、第１直交方向Ｙに向けられ、第１軸Ｌ１´と交差する。第２リンク９１２を第２軸Ｌ２´周りに基準姿勢から下向きに回転したとき、第２リンク９１２は第１限界角θ１´まで回転できる。第２リンク９１２を第２軸Ｌ２´周りに基準姿勢から上向きに回転したとき、第２リンク９１２は第２限界角θ２´まで回転できる。第１限界角θ１´と第２限界角θ２´とは概ね同値である。

第２リンク９１２の中心軸は第１軸Ｌ１´と第２軸Ｌ２´の交点を通過する。第２リンク９１２が基準姿勢にあるとき、第１挿通孔９４１の先端開口９４１ａの中心だけでなく、第２挿通孔９４２の基端開口９４２ａの中心も、第１軸Ｌ１´上に位置することになる。

図３を参照して、本実施形態では、第２軸Ｌ２が、第１直交方向Ｙと平行に延び、第１軸Ｌ１から第２直交方向Ｚに偏位している。図示例では、第２軸Ｌ２が第１軸Ｌ１の下方に位置している。以下、第２リンク１２が基準姿勢から第２リンク１２の先端を第２軸Ｌ２が偏位する側（図示例では下側）に向けるように回転するときの回転方向を「第１回転方向Ｒ１」という。第２リンク１２が基準姿勢から第２リンク１２の先端を第２軸Ｌ２の偏位する側とは反対側（図示例では上側）に向けるように回転するときの回転方向を「第２回転方向Ｒ２」という。

本実施形態では、第２リンク１２が第１回転方向Ｒ１に回転するとき、第２リンク１２を第１リンク１１と干渉させることなく、第２リンク１２が基準姿勢から第１限界角θ１まで回転できる。第２軸Ｌ２を偏位させたことにより、第１限界角θ１は、比較例の第１限界角θ１´と比べて大きくなる。すなわち、第２リンク１２の第１回転方向Ｒ１における可動域が広くなる。付随して、第２リンク１２の先端部に設けられるハンド部１５およびエンドエフェクタ８０の可動域も広くなる。第２リンク１２が第２回転方向Ｒ２に回転するとき、第２リンク１２は基準姿勢から第２限界角θ２まで回転できる。第１限界角θ１は第２限界角θ２よりも大きい。

なお、第２軸Ｌ２の第１軸Ｌ１からの偏位量（第２直交方向Ｚにおける距離）は、製造誤差の範囲を超える距離に設定されている。偏位量は、一例として20mm～50mmである。製造誤差の範囲（例えば1mm程度）内において、第２軸Ｌ２は第１軸Ｌ１と交差しない。

この軸レイアウトの結果、第２リンク１２の基準姿勢において、第２リンク１２の中心軸は、第１軸Ｌ１から離れて第１軸Ｌ１と平行に延びる。そのため、第２挿通孔４２の基端開口４２ａの中心は、第１挿通孔４１の先端開口４１ａの中心から第２直交方向Ｚに偏位する。開口の偏位量は、軸の偏位量と同等である。

図４は、第２リンク１２が、比較例の第１限界角θ１´だけ基準姿勢から第１回転方向Ｒ１に回転した状態を示している。第２リンク１２を基準姿勢から同一の回転角だけ回転したとき、先端開口４１ａの中心から基端開口４２ａまでの距離が、比較例よりも長くなる。そのため、可折部８５ａの曲率ｒは、比較例における曲率ｒ´と比べて小さくなる。第２リンク１２を基準姿勢から第１回転方向Ｒ１に回転したとき、可折部８５ａの曲率が緩和され、供給ライン８５の保護性が高くなる。

図６は、ロボット装置１を用いて行われる作業例を示す。ここでは、エンドエフェクタ８０に塗装用のスプレーガンを採用し、スプレーガンでワーク９０に塗装する作業を例示する。スプレーガンは、供給ライン８５（図３および図４参照）を介して供給される塗料を噴射する。ワーク９０は、開口９１を有している。基台２は、ワーク９０の外側に設置される。塗装すべき部位は、ワーク９０の内面であり、開口９１の下方にある。

塗装作業に際し、制御装置５０は、第１リンク１１が概略水平に延びる姿勢となるように、上下のアーム軸Ａ２，Ａ３に対応するサーボモータを制御する。第１リンク１１は開口９１に挿通され、第１リンク１１の先端部がワーク９０内に位置づけられる。制御装置５０は、第２リンク１２が概略鉛直に延びて第１リンク１１に対して下方に折れ曲げられた姿勢となるように、第２軸Ｌ２に対応するサーボモータを駆動する。制御装置５０は、ハンド部１５が概略水平に延びて第２リンク１２に対して折り曲げられた姿勢となるように、第３軸Ｌ３に対応するサーボモータを制御する。この結果として、旋回台４から第１リンク１１までの部分は、相対的に大型の逆Ｌ字姿勢をとる。ワーク９０内において、第２リンク１２およびハンド部１５が、相対的に小型のＬ字姿勢をとる。これにより、エンドエフェクタ８０は、開口９１よりも下方でワーク９０の内面と対向でき、塗装すべき部位に塗料を噴射できる。

制御装置５０は、第２直交方向Ｚが鉛直に向けられ第２軸Ｌ２が第１軸Ｌ１に対して下方に偏位するように、第１軸Ｌ１に対応するサーボモータを制御する。これにより、開口９１の下方で塗装作業を行う場合に、第２リンク１２ひいてはエンドエフェクタ８０の可動域が広がり、作業性が向上する。また、供給ライン８５の可折部８５ａの曲率が緩和され、供給ライン８５を保護できる。

なお、開口９１の上方で作業を行う場合も同様である。制御装置５０は、第２軸Ｌ２が第１軸Ｌ１に対して上方に偏位する姿勢となるように、第１軸Ｌ１に対応するサーボモータを制御する。

以上に説明した実施形態は一例である。上記した構成は、本発明の範囲内で適宜変更、追加および／または削除可能である。

１ ロボット装置
２ 基台
４ 旋回台
５ アーム
１１ 第１リンク
１２ 第２リンク
１３ 第３リンク
１４ 第４リンク
１５ ハンド部
４０ ライン空間
４１ 第１挿通孔
４１ａ 先端開口
４２ 第２挿通孔
４２ａ 基端開口
４３ 隙間空間
８５ 供給ライン
Ａ１ 旋回軸
Ａ２ 下アーム軸
Ａ３ 上アーム軸
Ｌ１ 第１軸
Ｌ２ 第２軸
Ｌ３ 第３軸
Ｌ４ 第４軸
Ｙ 第１直交方向
Ｚ 第２直交方向

Claims (4)

1. 第１軸周りに回転する第１リンクと、
   前記第１リンクの先端部に第２軸周りに回転可能に支持される第２リンクと、
   前記第２リンクの先端部に支持されるハンド部と、を備え、
   前記第１軸と直交する一方向を第１直交方向、前記第１軸とも前記第１直交方向とも直交する方向を第２直交方向としたとき、
   前記第２軸が、前記第１直交方向と平行に延び、前記第１軸から前記第２直交方向に偏位しており、
   前記第１リンクおよび前記第２リンクに、電気および／または材料を供給する供給ラインを配設するためのライン空間が設けられ、
   前記ライン空間が、前記第１リンクの中心部に形成されて前記第１リンクの先端部で開口する第１挿通孔と、前記第２リンクの中心部に形成されて前記第２リンクの基端部で開口する第２挿通孔と、前記第１挿通孔の先端開口と前記第２挿通孔の基端開口との間に形成された隙間空間とを含み、
   前記第２リンクの基準姿勢において、前記第２挿通孔の前記基端開口の中心が、前記第１挿通孔の前記先端開口の中心から前記第２直交方向に、前記第２軸と同じ側に同じ大きさで偏位している、ロボット装置。
2. 前記ハンド部は、前記第２リンクの先端部に前記第２軸と平行な第３軸周りに回転可能に支持される第３リンクと、前記第３リンクに前記第３軸と直交する第４軸周りに回転可能に支持される第４リンクとを備える
   請求項１に記載のロボット装置。
3. 基台と、
   前記基台に旋回軸周りに回転可能に支持される旋回台と、
   基端部が前記旋回台に支持され、先端部で前記第１リンクを前記第１軸周りに回転可能に支持するアームと、を備える
   請求項１または２に記載のロボット装置。
4. 各関節に対応する複数のサーボモータを備える
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載のロボット装置。

Images