JP2007118176A

JP2007118176A - 移動型マニピュレータ

Info

Publication number: JP2007118176A
Application number: JP2006260864A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Haniya; 和宏埴谷; Manabu Okahisa; 学岡久; Atsushi Ichibagase; 敦一番ヶ瀬
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】
腕部の負荷を軽減し、２次電池での可動時間の延長と、制御周期が早く把持可能なワーク種類を拡大できる移動式マニピュレータを提供する。
【解決手段】
少なくとも２本の腕５ａ、５ｂと、前記腕の第一軸同士の軸心が略平行に配置されている胴体部９と、前記胴体部９を旋回自在に軸支した基台８と、基台８を移動させるための２つ以上の回転関節１と、各関節を駆動するサーボアンプと、指令制御部を備えて、外部指令により物体を把持、移動、開放する搬送装置において各回転関節１は、２次電池４により駆動されているが、モータパワーの消費を低減させる腕部軸構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２本の腕と、胴体部と、移動基台とを有する移動型マニピュレータに関する。

図４は従来の移動型マニピュレータを示す図である。従来の移動型マニピュレータは、腕の第１軸が紙面に対して略水平に配置されている。すなわち、関節ｅは胴体に紙面に対して、水平に取り付けられている。
特開平１１−１８８６６８号公報（第４−６頁、図７）

従来の移動式マニピュレータは、腕の第１軸が紙面に対して略水平に配置されているため、前方に伸びた状態で作業するケースが多い産業用ロボットにとって、位置決め軸に重力負荷が常に作用しており、相応なモータパワーを消費し、２次電池が大型化するという問題があった。また、搬送作業では所定の移動のみを行えば良く、必ずしも腕部との同期は必要で無いが、腕部関節と移動関節部は同一制御器で構成され、ワーク位置を検出し把持姿勢を決定させる力倣い制御のような、高速な演算周期を必要とされる場合において制御周期が伸びるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、腕部の負荷を軽減し、２次電池での可動時間の延長と、制御周期が早く把持可能なワーク種類を拡大できる移動式マニピュレータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、台車と、前記台車を移動させるための移動関節と、前記台車に設けられた基台と、前記基台に設けられて旋回軸周りに回転する旋回関節と、前記旋回関節によって旋回する少なくとも２本の腕と、前記台車に設けられて前記移動関節、旋回関節、腕を駆動するための２次電池と、を備え、前記移動関節により移動する移動型マニピュレータにおいて、前記腕の位置決めのための基本軸は、重力が作用しない方向に設けられていることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記台車に設けられた前記腕と旋回関節を制御するための第１のコントローラと、前記台車に設けられた前記移動関節を制御するための第２のコントローラと、を備え、前記第２のコントローラは、前記第１のコントローラからの信号に基づいて動作することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記基台は、前記台車の重心の前方に配置され、前記２次電池は、前記台車の重心の後方に配置されることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、カウンターウエイトが前記台車の重心の後方に配置されることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、略整列された部品を、前記少なくとも２本腕で把持し、把持後に前記基台が移動し、前記基台停止後に、略整列状態に部品を整列させることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、部品を前記腕で把持するとともに移動し、移動するとともに略整列状態に部品を整列させることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、前記腕の関節部が、モータと減速機構が一体化された中空アクチュエータで構成されていることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、前記中空アクチュエータには、コネクタによって前記アーム体内でそれぞれ分割可能に接続される線状体が挿通されていることを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明は、前記線状体は、エンドエフェクタの動力線であることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、前記線状体は、エンドエフェクタの信号線であることを特徴とするものである。
請求項１１に記載の発明は、前記線状体は、エンドエフェクタのエア用配管であることを特徴とするものである。
請求項１２に記載の発明は、前記線状体は、塗料用配管であることを特徴とするものである。
請求項１３に記載の発明は、前記線状体は、溶接用の配線であることを特徴とするものである。
請求項１４に記載の発明は、前記線状体は、シール用配管であることを特徴とするものである。
請求項１５に記載の発明は、前記腕の隣り合う関節の回転軸の傾きが９０度であることを特徴とするものである。
請求項１６に記載の発明は、前記関節の回転軸のうち、基端の関節の回転軸が９００ｍｍから１３００ｍｍの高さに設けられたことを特徴とするものである。
請求項１７に記載の発明は、前記関節の回転軸を７軸備えたことを特徴とするものである。

請求項１、３、４、７〜１７に記載の発明によると、モータパワーの消費を低減させる腕部軸構成のため、２次電池での駆動時間が拡大する。
また、請求項２、３、４に記載の発明によると、基台を移動させるための２つ以上の回転関節のサーボアンプと指令制御部は、前記腕と前記旋回軸とは分離され、前記腕と前記旋回軸の指令制御部からの外部信号の授受により動作するため、ワーク位置を検出し把持姿勢を決定させる力倣い制御のような、高速な演算周期を必要とされる場合において制御周期、演算周期を極力短くできる。
また、請求項５に記載の発明によると、略整列された部品を、前記少なくとも２本腕で把持し、把持後に前記基台が移動し、前記基台停止後に、略整列状態に部品を整列させる作業をより長時間実施できる。
また、請求項６に記載の発明によると、略整列された部品を、前記少なくとも２本腕で把持しながら前記基台が移動し、移動途中に略整列状態に部品を整列させる作業のサイクルタイムを改善し、スループットが増加する。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

まず、概略構成について説明する。
図１は、本発明の多関節マニピュレータの正面図である。図１において、基台８上に設置された胴体９は、基台８に軸支されており、サーボモータ及び減速機にて旋回自在に位置決め可能である。基台８は台車１６に搭載されており、台車１６は、回転関節１（移動関節）により駆動される。
なお、台車１６の移動関節オムニホイールなど３関節でも良く、自動車のように３輪でも４輪でも良く、さらには、歩行関節でも良く駆動軸数や形態には限定されない。また、エンドエフェクタの到達距離を伸ばすために、胴体９の旋回軸に加えて、前後の傾動軸を付加しても良い。

図３は本発明の多関節マニピュレータの側面図である。図において、台車１６には、腕と旋回関節用のコントローラ２および移動関節専用コントローラ３が搭載されている。なお、コントローラとは、産業用ロボット用コントローラとして、あらかじめ定義された動作を行うプログラムを格納し、各関節のサーボモータを駆動するアンプと、位置、速度、電流ループで構成された指令制御部をさす。
移動マニピュレータの場合、重心位置に配慮し、いかなる場合であっても転倒しないようにしている。バランスをとるために、台車１６の重心位置に対して基台８の反対方向となるような後方部にカウンターバランス（図示せず）を搭載している。また、２次電池４を搭載する場合も同様で、台車１６の重心位置に対して基台８の反対方向となるような後方部に搭載している。
５ａは第１の腕、５ｂは第２の腕である。それぞれ胴体９に設けられているため、胴体９の旋回とともに腕も旋回する。

次に、腕の詳細な構造について説明する。腕の構造には種々のものが考えられるが、その一例について説明する。なお、後述するが、図１（図３）記載の腕の構造を示すものではない。

図２は、第１の腕を前方に伸ばした状態での縦断面図である。図２において、Ｃ１は第１のアーム体であり、Ｃ２は第２のアーム体であり、Ｃ３は第３のアーム体であり、Ｃ４は第４のアーム体であり、Ｃ５は第５のアーム体であり、Ｃ６は第６のアーム体、Ｃ７は第７のアーム体（エンドエフェクタ）である。第１のアームＣ１は関節軸Ｊ１を中心に回転し、第２のアームＣ２は関節軸Ｊ２を中心に回転し、第３のアームＣ３は関節軸Ｊ３を中心に回転し、第４のアームＣ４は関節軸Ｊ４を中心に回転し、第５のアームＣ５は関節軸Ｊ５を中心に回転し、第６のアームＣ６は関節軸Ｊ６を中心に回転する。第７のアームＣ７は関節軸Ｊ７を中心に回転する。
なお、適用アプリケーションによってはＪ３軸が無くとも位置決め可能である。

関節軸Ｊ１と関節軸Ｊ２、関節軸Ｊ２と関節軸Ｊ３、関節軸Ｊ３と関節軸Ｊ４、関節軸Ｊ４と関節軸Ｊ５、関節軸Ｊ５と関節軸Ｊ６、関節軸Ｊ６と関節軸Ｊ７はそれぞれ直交するように構成されている。本軸構成によれば、動作軸を支持する軸に対し直交動作となるので、従来の産業用ロボットと同一教示操作方法に近く、効率良くティーチングが可能となる。また、関節軸Ｊ１、関節軸Ｊ３、関節軸Ｊ５、関節軸Ｊ７の夫々の回転中心が直立時に同一線上になるように構成されている。本軸構成によれば狭隘な空間に設置するために最小な寸法となる。すなわちマニプレータ上面図からの投影面積が最小になる。
ただし、関節軸Ｊ１、関節軸Ｊ３、関節軸Ｊ５、関節軸Ｊ７の夫々の回転中心にオフセット寸法を付与することも可能である。図１はＪ１にオフセットを与えた場合の構成を示している。

関節軸Ｊ１はサーボモータ１０１によって減速機１０２を介して駆動されており、サーボモータ１０１と減速機１０２の回転中心は関節軸Ｊ１の回転軸と一致している。また、サーボモータ１０１と減速機１０２の回転中心には中空穴１０３が開口されており、線状体１０４が配設されている。
関節軸Ｊ２はサーボモータ１４によって減速機１２を介して駆動されており、サーボモータ１４と減速機１２の回転中心は関節軸Ｊ２の回転軸と一致している。また、サーボモータ１４と減速機１２の回転中心には中空穴１５が開口されており、線状体１０が配設されている。
関節軸Ｊ３はサーボモータ３０１によって減速機３０２を介して駆動されており、サーボモータ３０１と減速機３０２の回転中心は関節軸Ｊ３の回転軸と一致している。また、サーボモータ３０１と減速機３０２の回転中心には中空穴３０３が開口されており、線状体３０４が配設されている。
関節軸Ｊ４はサーボモータ４０１によって減速機４０２を介して駆動されており、サーボモータ４０１と減速機４０２の回転中心は関節軸Ｊ４の回転軸と一致している。また、サーボモータ４０１と減速機４０２の回転中心には中空穴４０３が開口されており、線状体４０４が配設されている。
関節軸Ｊ５はサーボモータ５０１によって減速機５０２を介して駆動されており、サーボモータ５０１と減速機５０２の回転中心は関節軸Ｊ５の回転軸と一致している。また、サーボモータ５０１と減速機５０２の回転中心には中空穴５０３が開口されており、線状体５０４が配設されている。
関節軸Ｊ６はサーボモータ６０１によって減速機６０２を介して駆動されており、サーボモータ６０１と減速機６０２の回転中心は関節軸Ｊ６の回転軸と一致している。また、サーボモータ６０１と減速機６０２の回転中心には中空穴６０３が開口されており、線状体６０４が配設されている。
関節軸Ｊ７はサーボモータ７０１によって減速機７０２を介して駆動されており、サーボモータ７０１と減速機７０２の回転中心は関節軸Ｊ７の回転軸と一致している。また、サーボモータ７０１と減速機７０２の回転中心には中空穴７０３が開口されており、線状体７０４が配設されている。
なお、線状体はアクチュエータの動力線および信号線、エンドエフェクタ用の動力線、信号線、エア用、シール用、塗料用配管、溶接用の１次ケーブル、アース線等の線状体である。また、コネクタによって、各アーム体内で分割可能に接続されている。

通常、産業用ロボットでの作業領域は前方の動作領域が重要である。従来は、「前に習え」の姿勢を維持するためには位置決めのための基本軸に重力トルクが作用して、各関節に使用するモータの消費電力が大きくなる。そのため、２次電池で駆動する移動マニプレータにおいては、その可動時間が減少する。しかし、本発明の腕構成によると、図２に示すような最伸姿勢においてＸ方向に重力が作用しても、各回転関節に対して垂直のため、各関節の減速機やモータ容量を小さくして可動時間を大幅に拡大した移動マニプレータを提供することができる。
また、本姿勢だけでは水平動作しか出来ないので、さらに小容量のモータを使用し、可動範囲を増やしつつ可動時間を延長せしめるには、各関節軸に動作制限を設けることもできる。この場合、ＣＯＳ関数により、動作角度の増加割合が、重力トルクの増加割合よりも大きいため、効率良く動作制限を与えることが可能となる。
２次電池を使用せずに外部から動力の供給を受ける場合においても、モータの総容量が小さくできるので、外部からの動力供給ケーブルを細くまたは、本数の削減ができる。この場合においても、消費電力の少ない移動マニプレータが提供できる。

なお、最も効果的な実施例は、腕の第１軸の回転軸が各々略平行が望ましいが、関節部のモータ消費電力が許容する範囲で、ロボット前方に対して角度を付して配設しても良い。

次に、コントローラについて、以下説明する。
台車は、搬送作業では所定の移動のみを行えば良く、必ずしも腕部との同期は必要でない。そこで、移動関節専用コントローラ３と腕と旋回関節用のコントローラ２とを別制御グループに置き、移動関節専用コントローラ３が、腕と旋回関節用のコントローラ２からのＩ／Ｏにより、所定のプログラムを処理し、移動関節専用コントローラ３単独で移動関節を制御している。

このように構成しているので、力倣い制御のように高速な演算周期を実現し、ワークの位置検出やワークが軟体物であり把持力のコントロールを必要とする場合には、力倣い制御を必要とする腕と旋回関節用のコントローラ２の制御軸数を軽減することができる。そのため、腕と旋回関節用のコントローラ２の演算負荷低減につながる。
また、台車部の速度変更のためモータ容量を変更したとしても、移動関節専用コントローラ３のみを変更すれば良く、腕と旋回関節用のコントローラ２のハードウエアを流用することが可能であり、システム変更に対して容易に対応できるとともに、対応期間を短縮することができる。

本実施例は、移動関節専用コントローラ３と腕と旋回関節用のコントローラ２とを分離せずに、移動関節専用コントローラ３のみで腕と旋回関節、移動関節を制御するものである。１台のコントローラで腕と旋回関節、移動関節を制御するので、腕部関節と移動関節とを協調させて動作させることができる。
部品は予め作業台に略整列されているが、作業台と移動型マニピュレータの位置は、移動型マニピュレータ進行方向に対して前方でも左右いずれの位置であっても良い。移動関節と同時に胴体が旋回し、部品を掴む位置に基台が到達したときに腕関節も掴み位置に制御できる。同様に、置き位置に対しても、腕部関節と移動関節とを協調させて動作させることにより、部品を置く位置に基台が到達したときに腕関節も置く位置に制御できる。

したがって、略整列された部品を、２本腕で把持しながら基台が移動し、移動途中に略整列状態に部品を整列させる作業のサイクルタイムを改善し、スループットを増加させることができる。置き位置や掴み位置は、作業台や部品移送用のパレットなどが想定される。部品配膳工程では複数の掴み位置から部品を取り、決められた置き位置に搬送する場合が多い。そのような場合、片腕で重量物を掴んだ後、重力トルクが作用しない姿勢にしながら、または、重力トルクが作用しない姿勢にした後、他腕で別部品を掴みにいくことで、搬送時間の大半を２次電池の消耗無しで片腕での運搬が可能になる。さらに、他腕で掴んだ後に、他腕に重力トルクが作用しない姿勢にした状態で、移動関節を駆動させれば置き位置が離れていても両腕には重力トルクを保持するための２次電池からの供給が少なくて済む。
このように両腕に重力トルクが作用しない姿勢は、図４の従来例のように下方に腕を伸ばした場合可能であるが、通常掴み位置や置き位置は人作業を想定すると９００ｍｍから１３００ｍｍの高さに部品を置くことが多いため、下方に伸ばす動作と置き高さに戻す動作が必要になり、電池を消費する。本発明では予め置き高さ付近に関節軸Ｊ１を配置することで、重力負荷があまりモータに作用しない姿勢で搬送が可能になる。

以上のように、本発明によれば、２次電池の消耗が少ないので、略整列された部品を、２本腕で把持し、把持後に前記基台が移動し、前記基台停止後に、略整列状態に部品を整列させる作業をより長時間実施できる。また、搬送部品が１本腕で把持可能な場合は、一度に２個以上の部品を搬送できるので、飛躍的に搬送効率を高めながら長時間作業することができる。
なお、上記２つの実施例においては、２本腕の場合について説明したが、複数のアームであってもよい。

本発明の実施例を示すマニピュレータ装置を示す正面図本発明のマニピュレータの腕を示す縦断面図本発明の実施例を示すマニピュレータ装置を示す側面図従来のマニピュレータ装置を示す正面図

符号の説明

Ｃ１第１のアーム体
Ｃ２第２のアーム体
Ｃ３第３のアーム体
Ｃ４第４のアーム体
Ｃ５第５のアーム体
Ｃ６第６のアーム体
Ｃ７第７のアーム体（エンドエフェクタ）
１回転関節（移動関節）
２腕と旋回関節用のコントローラ
３移動関節専用コントローラ
４２次電池
５ａ第１の腕
５ｂ第２の腕
７旋回軸
８基台
９胴体
１０Ｊ２軸線状体
１１ａコネクタ
１１ｂコネクタ
１２Ｊ２軸減速機部
１４Ｊ２軸アクチュエータ
１５Ｊ２軸中空穴
１６台車
Ｊ１関節軸
Ｊ２関節軸
Ｊ４関節軸
Ｊ５関節軸
Ｊ６関節軸
Ｊ７関節軸
１０１Ｊ１軸サーボモータ
３０１Ｊ３軸サーボモータ
４０１Ｊ４軸サーボモータ
５０１Ｊ５軸サーボモータ
６０１Ｊ６軸サーボモータ
７０１Ｊ７軸サーボモータ
１０２Ｊ１軸減速機
２０２Ｊ２軸減速機
３０２Ｊ３軸減速機
４０２Ｊ４軸減速機
５０２Ｊ５軸減速機
６０２Ｊ６軸減速機
７０２Ｊ７軸減速機
１０３Ｊ１軸中空穴
３０３Ｊ３軸中空穴
４０３Ｊ４軸中空穴
５０３Ｊ５軸中空穴
６０３Ｊ６軸中空穴
７０３Ｊ７軸中空穴
１０４Ｊ１軸線状体
２０４Ｊ３軸線状体
３０４Ｊ４軸線状体
４０４Ｊ５軸線状体
５０４Ｊ６軸線状体
６０４Ｊ７軸線状体

Claims

台車と、前記台車を移動させるための移動関節と、前記台車に設けられた基台と、前記基台に設けられて旋回軸周りに回転する旋回関節と、前記旋回関節によって旋回する少なくとも２本の腕と、前記台車に設けられて前記移動関節、旋回関節、腕を駆動するための２次電池と、を備え、前記移動関節により移動する移動型マニピュレータにおいて、
前記腕の位置決めのための基本軸は、重力が作用しない方向に設けられていることを特徴とする移動型マニピュレータ。
前記台車に設けられた前記腕と旋回関節を制御するための第１のコントローラと、
前記台車に設けられた前記移動関節を制御するための第２のコントローラと、を備え、
前記第２のコントローラは、前記第１のコントローラからの信号に基づいて動作することを特徴とする請求項１記載の移動型マニピュレータ。
前記基台は、前記台車の重心の前方に配置され、
前記２次電池は、前記台車の重心の後方に配置されることを特徴とする請求項１または２いずれかに記載の移動型マニピュレータ。
カウンターウエイトが前記台車の重心の後方に配置されることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の移動型マニピュレータ。
略整列された部品を、前記少なくとも２本腕で把持し、把持後に前記基台が移動し、
前記基台停止後に、略整列状態に部品を整列させることを特徴とする請求項１または２いずれかに記載の移動型マニピュレータ。
部品を前記腕で把持するとともに移動し、移動するとともに略整列状態に部品を整列させることを特徴とする請求項１または２いずれかに記載の移動型マニピュレータ。
前記腕の関節部が、モータと減速機構が一体化された中空アクチュエータで構成されていることを特徴とする請求項４乃至６いずれかにに記載の移動型マニピュレータ。
前記中空アクチュエータには、コネクタによって前記アーム体内でそれぞれ分割可能に接続される線状体が挿通されていることを特徴とする請求項７記載の移動型マニピュレータ。
前記線状体は、エンドエフェクタの動力線であることを特徴とする請求項８記載のロボット。
前記線状体は、エンドエフェクタの信号線であることを特徴とする請求項８記載のロボット。
前記線状体は、エンドエフェクタのエア用配管であることを特徴とする請求項８記載のロボット。
前記線状体は、塗料用配管であることを特徴とする請求項８記載のロボット。
前記線状体は、溶接用の配線であることを特徴とする請求項８記載のロボット。
前記線状体は、シール用配管であることを特徴とする請求項８記載のロボット。
前記腕の隣り合う関節の回転軸の傾きが９０度であることを特徴とする請求項７に記載の移動型マニピュレータ。
前記関節の回転軸のうち、基端の関節の回転軸が９００ｍｍから１３００ｍｍの高さに設けられたことを特徴とする請求項１５に記載の移動型マニピュレータ。
前記関節の回転軸を７軸備えたことを特徴とする請求項１６記載の移動型マニピュレータ。