JP2007118114A - ロボット用停止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの相対動作部分の停止距離を短くすることができるロボット用停止装置を提供する。
【解決手段】互いに相対運動する一対の相対動作部分２，３の少なくとも一方に設けられ、前記一対の相対動作部分２，３が衝突したときに一対の相対動作部分２，３の間に挟まれて相対運動を停止させるストッパ部材８を備えたロボット用停止装置において、ストッパ部材８は、硬度が異なる２種類の部材が相互に固着された組合せ部材であり、個々の部材の両端面は、一対の相対動作部分２，３のそれぞれに直に接触し、一対の相対動作部分２，３の衝突時の圧縮荷重を両端面で略垂直に受けるように組み合わされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに相対運動する一対の相対動作部分の少なくとも一方に設けられ、相対動作部分が相互に衝突したときに相対動作部分の間に挟まれて相対運動を停止させるストッパ部材を備えたロボット用停止装置に関するものである。

一対の相対動作部分の相対運動を停止させるロボット用停止装置の一例として、固定側部分に対する可動側部分の相対運動を停止させるものが、図８に示されている。図８では、一対の相対動作部分の一方が固定側部分としてのベース２であり、一対の相対動作部分の他方が可動側部分としてのロボットアーム３であり、ロボットアーム３はベース２に回動自在に取り付けられている。

ロボット用停止装置１は、ロボットアーム３を駆動する駆動源としてのサーボモータ４と、ロボットアーム３の速度や位置を制御するモータ制御装置５と、ベース２の両側に設けられ、回転動作するロボットアーム３に当接して衝突時の衝撃を和らげながらその回転動作を停止させるストッパ部材６とを備えている。ロボットアーム３は、減速機１１を介してサーボモータ４の回転軸に連結され、この回転軸を回転中心として左右に回転するようになっている。

ストッパ部材６は、ロボットアーム３を当接させ、停止させることでその動作範囲（動作ストローク）Ｓを規定するものである（図９）。通常の産業用ロボットは、ソフトウエアリミットによりロボットアーム３が所定の動作範囲Ｓを越えないように制御されるものであるが、何らかの不具合によってロボットアーム３が動作範囲Ｓを越えて動作したときに、ストッパ部材６を押しつぶすことで運動エネルギが吸収されて停止するようになっている。

ストッパ部材６は、一般にゴムやスプリング、ダンパ、又はこれらの組み合わせで構成されている。図１０（ａ）〜（ｄ）は従来のストッパ部材の一例であり、（ａ）は角形のゴムストッパ６Ａ、（ｂ）は円柱状のゴムストッパ６Ｂ、（ｃ）はコイルバネを用いたストッパ６Ｃ、（５ｄ）はゴムストッパＤ１とダンパＤ２とを組み合わせたストッパ６Ｄである。

モータ制御装置５には、ストッパ部材６にロボットアーム３が衝突したときの衝撃の強さを検出する図示しないセンサからの検出値が入力され、この検出値に基づいてモータ制御装置５はサーボモータ４を停止させる。

従来から使用されているストッパ部材６（６Ａ〜６Ｄ）は、変形しやすい（柔らかい）ため衝突による圧縮直後は殆ど反発力を生じず、圧縮が進むにつれて徐々に反発力を増大してゆき、ロボットアーム３の前進力（押圧力）に対してストッパ部材６の反発力が勝った時にロボットアーム３を停止させるものである。すなわち、ストッパ部材６がつぶれ始めた初期段階において、ストッパ部材６はロボットアーム３の移動を停止させるのに殆ど寄与しないものであった。このため、サーボモータを停止させるタイミングに遅れが生じ、動作ストロークがδで示される量だけリミットオーバーし、ロボットアーム３の停止距離が長くなるという問題があった。ロボットアーム３の運動エネルギが大きい場合は、ロボットアーム３などが損傷する２次災害の心配もあり、ストッパ部材６そのものを大きくして十分に前進力を受け止めるようにする必要があった。

しかしながら、サーボモータ４の性能向上（高出力化）に伴いロボットアーム３の動作速度は年々高速化し、これによってストッパ部材６が吸収すべき運動エネルギも増大し、ロボットアーム３を所定の位置で停止させるために、ストッパ部材６のサイズアップを図るというだけでは限界があった。また、ストッパ部材６のサイズアップを図ることは、少しでも広く取りたいロボットアーム３の動作範囲Ｓを狭めるという問題や、ロボットアーム３の形状をいびつにするというという別の問題もあった。

本発明は、上記した点に鑑み、サーボモータの性能向上に伴い相対動作部分の動作が高速化した場合であっても、ストッパ部材のサイズを大きくすることなく、ロボットの相対動作部分の停止距離を短くすることができるロボット用停止装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載のロボット用停止装置は、互いに相対運動する一対の相対動作部分の少なくとも一方に設けられ、前記一対の相対動作部分が衝突したときに該一対の相対動作部分の間に挟まれて前記相対運動を停止させるストッパ部材を備えたロボット用停止装置において、前記ストッパ部材は、硬度が異なる少なくとも２種類の部材が相互に固着された組合せ部材であり、硬度が高い部材の両端面は、前記一対の相対動作部分のそれぞれに直に接触し、該一対の相対動作部分の衝突時の圧縮荷重を前記両端面で略垂直に受けるように組み合わされたことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載のロボット用停止装置において、前記相対動作部分の少なくとも一方を駆動するサーボモータと、該サーボモータを制御するモータ制御装置と、を備え、該モータ制御装置は、前記相対動作部分が前記ストッパ材を介して衝突したときに発生する衝撃の強さを検出する衝撃検出手段を備え、前記モータ制御装置は、前記衝撃検出手段により検出された検出値に基づいて前記サーボモータを停止させることを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項２に記載のロボット用停止装置において、前記衝撃検出手段は外乱推定オブザーバであることを特徴とする。

また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載のロボット用停止装置において、前記ストッパ部材は、ゴムまたは樹脂である軟質材と、金属である硬質材とからなることを特徴とする。

以上の如く、請求項１記載の発明によれば、ストッパ部材は、硬度が異なる少なくとも２種類の部材が相互に固着された組合せ部材であり、硬度が高い部材の両端面は、一対の相対動作部分のそれぞれに直に接触し、一対の相対動作部分の衝突時の圧縮荷重を両端面で垂直に受けるように組み合わされているから、一対の相対動作部分の衝突により一対の相対動作部分の間にストッパ部材が挟まれた時、硬度の高い部材が圧縮荷重Ｆを受けて高い反発力を生じる。座屈により硬度の高い部材が変形すると、硬度の高い部材による反発力は低下するが、一対の相対動作部分が相互に接近することで硬度の低い部材の圧縮変形が進み、硬度の低い部材の弾性復元力としての反発力が増大して一対の相対動作部分の相対移動を停止させる。したがって、ストッパ部材を構成する硬度の高い部材と高度の低い部材の相補的効果により、一対の相対動作部分の間に挟まれるストッパ部材のサイズを大きくすることなく、ロボットの相対動作部分の停止距離を短くすることができる。

また、請求項２記載の発明によれば、サーボモータを制御するモータ制御装置が、一対の相対動作部分がストッパ材を介して衝突したときに発生する衝撃の強さを検出する衝撃検出手段を備えているから、衝突の初期段階で生じた衝撃の強さを早い段階で検出することができ、検出値に基づいてモータ制御手段がサーボモータを停止させる処理を早めに行うことが可能となる。したがって、サーボモータを停止させるタイミングに遅れが生じることを防止することができ、短い停止距離で相対動作部分を停止させることができる。

また、請求項３記載の発明によれば、衝撃検出手段は外乱推定オブザーバであるから、衝突の検出感度を一層高まることができる。したがって、請求項２記載の発明の効果が助長される。

また、請求項４記載の発明によれば、ストッパ部材は、ゴムまたは樹脂である軟質材と、金属である硬質材とからなるから、金属が生じる強い反発性とゴムや樹脂が持つ緩衝性の相乗効果により、サーボモータの停止制御を妨げることなく衝突時の衝撃を和らげることができる。

以下添付図面に従って本発明に係るロボット用停止装置及びそれに用いられるストッパ部材の好ましい実施の形態について詳説する。図１は、本発明に係るロボット用停止装置の一実施形態を示す正面図、図２及び図３は、図１に示すロボット用停止装置に用いられるストッパ部材の第１の実施形態を示すものである。なお、図８に示す従来のロボット用停止装置と共通する構成部分については、同一符号を付すこととする。

本実施形態のロボット用停止装置１Ａは、ロボットアーム３が所定の動作範囲を超えて動作した際に、相手部材に衝突することでロボットアーム３の動作を停止させるものであり、ベース２と、ベース２に回動自在に取り付けられたロボットアーム３と、ロボットアーム３を駆動する駆動源としてのサーボモータ４と、ロボットアーム３の速度や位置を制御するモータ制御装置５と、ベース２の両側に設けられ、回転動作するロボットアーム３に当接して衝突時の衝撃を和らげながらその回転動作を停止させるストッパ部材８とを備えている。

一方の相対動作部分としてのベース２は、図示しないロボットの旋回自在の胴体部に固定され、関節部を介してロボットアーム３を回動自在に支持する部分である。このため、ベース２とロボットアーム３は、相対的に動作するようになっている。

他方の相対的動作部分としての棒状のロボットアーム３は、基端側が関節部を介してベース２に取り付けられ、先端側が図示しない関節部を介して別のロボットアームに回動自在に取り付けられている。したがって、ロボットアーム３は基部側の回転軸を回転中心として、図９に示すように左右に回転できるようになっている。

サーボモータ４は、モータ本体と４ａ、モータ４ａの位置情報を検出する位置検出器としての図示しないエンコーダとを備え、その回転軸が減速機１１を介してロボットアーム３に連結されている。サーボモータ４ａは歯車伝動機構などの減速機１１を介することで、回転数が減速されて高トルクが出力されるようになっている。

モータ制御装置５は、サーボモータ４に制御された電流を供給する図示しないサーボアンプと、サーボアンプを介してサーボモータに電気的に相互接続する図示しないモータ制御部と、衝撃検出手段しての外乱推定オブザーバ５ａとを備えている。

サーボアンプは、トランジスタインバータなどで構成され、モータ制御部からの速度指令に基づいて、サーボモータ４を加減速及び停止させる動力源である。例えば、サーボモータ４を停止制御する際は、速度指令が「０」にされることで、フィードバック処理で算出されるトルク指令（電流指令）はサーボモータ４を逆方向に駆動する指令となり、所定の制動トルクでサーボモータ４が減速され、停止することとなる。

モータ制御部は、図示しないコントローラと、図示しない共有メモリと、デジタルサーボ回路とを備えている。コントローラからの移動指令などは共有メモリを介してデジタルサーボ回路に送信される。逆に、デジタルサーボ回路からの異常信号などは共有メモリを介してコントローラに送信される。すなわち、コントローラとデジタルサーボ回路は、共有メモリを介して双方向に送受信可能になっている。

外乱推定オブザーバ５ａは、サーボモータ４によって駆動されるロボットアーム３がベース２と衝突したことを、オブザーバによってトルク指令から求めるものである。例えば、オブザーバ５ａは、サーボモータ４のトルク変動を外乱トルクとみなしてロボットアーム３とベース２との衝突を検出することができ、衝突を検出したら、アラームを出力すると共に、速度指令を「０」にしてサーボモータ４に停止トルクを発生させる。

ストッパ部材８は、ベース２の両側に設けられており（図１では片側のみ図示されている）、ロボットアーム３が誤作動などにより所定の動作範囲（規定ストローク）を越えた時に、ロボットアーム３を衝突させることでロボットアーム３の相対動作を停止させる部材である。

図２に示すように、第１の実施形態のストッパ部材８は、ゴムから成る円柱状の軟質材８ａの周囲が硬質材８ｂの金属で取り囲むように覆われている。ストッパ部材８を圧縮荷重Ｆの働く方向から見た時、硬質材８ｂはストッパ部材８の表面（一方の端面）１２ａと裏面（他方の端面）１２ｂとの間を橋渡しされた状態に配置されている。言い換えると、軟質材８ａと硬質材８ｂは、個々の部材８ａ，８ｂの両端面１２ａ，１２ｂがベース２とロボットアーム３のそれぞれに直に接触し、ロボットアーム３の衝突時の圧縮荷重を両端面１２ａ，１２ｂで略垂直に受けるように組み合わされている。軟質材８ａと硬質材８ｂは、圧縮荷重Ｆを受けたときに、その境界面が剥離しないように接合されている。なお、軟質材８ａと硬質材８ｂが、一旦圧縮荷重を受けた後は両部材の境界面から剥離してもよい（図７参照）。

図３に示すように、ストッパ部材８に圧縮荷重Ｆが作用すると、最初は外側の硬質材８ｂが強い反発力を示すものの、圧縮荷重Ｆの増加と共に硬質材８ｂは除々に座屈し、ストッパ部材８全体が樽状に変形する。硬質材８ｂは、最初の変形していない状態から僅かに変形し始める時に最も大きい反発力を生じ、その後は変形量が多くなり、圧縮荷重Ｆに対する反発力は小さくなる。一方、軟質材８ａは、荷重と変形量との関係が比例関係にあるため、圧縮開始直後は反発力が小さいものの、その後は圧縮荷重の増加と共に変形量が多くなり、圧縮荷重Ｆに対する反発力が大きくなる。

すなわち、硬質材８ｂは圧縮開始直後の反発力が大きく、一方、軟質材８ａは圧縮荷重Ｆが作用してから次第に反発力が大きくなる性質を有しており、このような部材８ａ，８ｂを組み合わせてストッパ部材８を構成することで、ストッパ部材８は終始高反発力を維持することができ、ロボットアーム３がベース２に衝突した際に、ロボットアーム３の停止距離を短くすることができる。特に、圧縮開始直後に高反発力が得られることで、外乱推定オブザーバ５ａによる衝突を検出するタイミングが早まり、サーボモータ４を圧縮開始直後に停止させることができる。

図４及び図５は、第２の実施形態のストッパ部材９を示したものである。本実施形態のストッパ部材９は、硬質材９ｂがストッパ部材９の中心部に、軟質材９ａがストッパ部材９の外周部に配置されている点で、第１の実施形態のストッパ部材８と相違している。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は省略することとする。

本実施形態のストッパ部材９によれば、硬質材が９ｂストッパ部材９の中心部に配置されているから、圧縮荷重Ｆを受けるストッパ部材９の端面の面積が第１の実施形態のストッパ部材８に比べて小さくなり、圧縮荷重Ｆを受けた際に座屈を生じやすく、圧縮開始直後に潰れやすくなる。このため、衝突時の衝撃を和らげる効果が高まり、ロボットアーム３をスムーズに停止させることができる。

図６及び図７は、第３の実施形態のストッパ部材１０を示したものである。本実施形態のストッパ部材１０は、直方体形状をなし、硬質材１０ｂが軟質材１０ａの一対の対向面と上面とを覆うように形成されている点で、第１の実施形態のストッパ部材８と相違している。硬質材１０ｂは門形をなし、一対の脚部１０ｂ_１，１０ｂ_１と、一対の脚部１０ｂ_１，１０ｂ_１の間の板部１０ｂ_２とから構成されている。

図７に示すように、ストッパ部材１０が一旦圧縮荷重を受けた後は、硬質材８ｂが外側に膨らみ、軟質材８ａとの境界面から剥離し、主として軟質材８ａが圧縮荷重を受ける態様となっている。

本実施形態のストッパ部材１０は、衝突する面が完全に硬質材で覆われているが、これは相手面が平面ではない場合に有効に作用する。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は省略することとする。

以上のように、本実施形態のロボット用停止装置１Ａは、硬度が異なる２種類の部材を組み合わせたストッパ部材８〜１０を備えているから、衝突時の圧縮開始直後に高い反発力を生じさせることができ、衝突初期の段階で停止制御を行うことができる。また、硬質材８ｂ，９ｂ，１０ｂと軟質材８ａ，９ａ，１０ａの相補的効果により、衝突してから停止するまで、高反発力を維持することができ、ロボットアーム３の停止距離を短くすることができる。また、ストッパ部材のサイズを大きくせずに、小型の停止装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、ストッパ部材を段階的に硬度が異なる３種類以上の部材から構成することも可能である。また、外乱推定オブザーバ５ａに代えて、圧電素子などのセンサを検出手段として用いることもできる。ストッパ部材を、マシニングセンタ、ターニングセンタなどのストッパとして適用することもできる。

本発明に係るロボット用停止装置の一実施形態を示す正面図である。 本発明に係るロボット用停止装置に用いられるストッパ部材の第１の実施形態を示す斜視図である。 図１に示すストッパ部材の圧縮前（ａ）と圧縮後（ｂ）の各断面図である。 本発明に係るロボット用停止装置に用いられるストッパ部材の第２の実施形態を示す斜視図である。 図６に示すストッパ部材の圧縮前（ａ）と圧縮後（ｂ）の各断面図である。 本発明に係るロボット用停止装置に用いられるストッパ部材の第３の実施形態を示す斜視図である。 図３に示すストッパ部材の圧縮前（ａ）と圧縮後（ｂ）の各断面図である。 従来のロボット用停止装置の一例を示す正面図である。 図８に示すロボット用停止装置の側面図である。 同じく図８に示すロボット用停止装置に適用可能なストッパ部材の一例（ａ）〜（ｄ）をそれぞれ示す各斜視図である。

符号の説明

１Ａ ロボット用停止装置
２ ベース（一方の相対動作部分）
３ ロボットアーム（他方の相対動作部分）
４ サーボモータ
５ モータ制御装置
５ａ 外乱推定オブザーバ
６，８，９，１０ ストッパ部材
８ａ，９ａ，１０ａ 軟質材
８ｂ，９ｂ，１０ｂ 硬質材

Claims (4)

1. 互いに相対運動する一対の相対動作部分の少なくとも一方に設けられ、前記一対の相対動作部分が衝突したときに該一対の相対動作部分の間に挟まれて前記相対運動を停止させるストッパ部材を備えたロボット用停止装置において、
   前記ストッパ部材は、硬度が異なる少なくとも２種類の部材が相互に固着された組合せ部材であり、硬度が高い部材の両端面は、前記一対の相対動作部分のそれぞれに直に接触し、該一対の相対動作部分の衝突時の圧縮荷重を前記両端面で略垂直に受けるように組み合わされたことを特徴とするロボット用停止装置。
2. 前記相対動作部分の少なくとも一方を駆動するサーボモータと、
   該サーボモータを制御するモータ制御装置と、を備え、
   該モータ制御装置は、前記一対の相対動作部分が前記ストッパ部材を介して衝突したときに発生する衝撃の強さを検出する衝撃検出手段を備え、
   前記モータ制御装置は、前記衝撃検出手段により検出された検出値に基づいて前記サーボモータを停止させることを特徴とする、請求項１に記載のロボット用停止装置。
3. 前記衝撃検出手段は外乱推定オブザーバであることを特徴とする、請求項２に記載のロボット用停止装置。
4. 前記ストッパ部材は、ゴムまたは樹脂である軟質材と、金属である硬質材とからなることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のロボット用停止装置。

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