JP2015085483A - ロボット、制御装置、及びロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】胴体を動かすアクチュエーターへの負荷を低減できるロボットを提供する。
【解決手段】ロボット（２）は、基台（４）と、基台（４）に回転可能に設けられた胴体（５）と、胴体（５）に設けられ、胴体（５）に対して可動なアーム（６）と、アーム（６）を動かすアクチュエーター（７）と、基台（４）に設けられ、アクチュエーター（７）を駆動する駆動装置（８）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット、制御装置、及びロボットシステムに関する。

従来からロボットは、工業製品の組み立てなどの産業用をはじめとして多様な分野で利用されている（例えば、下記の特許文献１参照）。ロボットは、例えば、床や地面などのようにロボットが設置される面に接する脚と、脚に支持された胴体と、胴体に取り付けられたアームとを備える。胴体は、腰軸などを介して脚と接続されており、腰軸の周方向において脚に対して回転可能である。アームは、リンクなどを含み、胴体に対して可動である。アームは、制御系電装機器により駆動、制御されて、所定の処理を実行する。特許文献１において、制御系電装機器は、脚などの運動性能の妨げにならないように、脚などを避けて胴体に集中搭載されている。

特開２００５−１６１４１４号公報

一般的に、上述のようなロボットは、胴体に設けられる部品が多いほど、胴体が重量化あるいは大型化する。例えば、胴体が可動のロボットにおいて、胴体に制御系部品、用力系部品などが集約されていると、胴体の慣性モーメントが大きくなることで、胴体を動かすアクチュエーターへの負荷が大きくなるおそれがある。。本発明は、このような事情に鑑み成されたものであって、胴体を動かすアクチュエーターへの負荷を低減できるロボット、制御装置、及びロボットシステムを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様のロボットは、基台と、基台に回転可能に設けられた胴体と、胴体に設けられ、胴体に対して可動なアームと、アームを動かすアクチュエーターと、基台に設けられ、アクチュエーターを駆動する駆動装置と、を備える。

このロボットは、アクチュエーターを駆動する駆動装置が基台に設けられているので、駆動装置が胴体に設けられる構成と比較して、胴体の慣性モーメントを下げることができる。そのため、このロボットは、胴体を動かすアクチュエーターへの負荷を低減できる。

第１の態様のロボットにおいて、駆動装置は、基台の内部に収容されていてもよい。このロボットは、省スペースにできるとともに、基台の外部と駆動装置との干渉、衝突の発生を低減できる。

第１の態様のロボットにおいて、駆動装置の重心は、胴体とアームと基台とを含むロボット本体の重心よりも重力方向で下方に配置されていてもよい。このロボットは、重心が低くなるので安定的に設置できる。

第１の態様のロボットは、基台の内部に収容され、アームの位置情報を演算する演算装置を備えていてもよい。このロボットは、演算装置が基台に設けられているので、演算装置が胴体に設けられる構成と比較して、胴体の慣性モーメントを下げること、胴体の設計自由度を高めることなどができる。また、このロボットは、演算装置が基台の内部に収容されているので、省スペースにできるとともに、基台の外部と演算装置との干渉、衝突の発生を低減できる。

第１の態様のロボットは、アームに設けられ、アームの位置情報を検出する第１検出器を備え、演算装置は、第１検出器が検出した結果を使って、アームの位置情報を演算してもよい。このロボットは、アームの位置を精度よく制御できる。

第１の態様のロボットは、胴体に設けられ、胴体の位置情報を検出する第２検出器を備え、演算装置は、第２検出器が検出した結果を使って、アームの位置情報を演算してもよい。このロボットは、胴体の位置を精度よく制御できるとともに、胴体に取り付けられているアームの位置を精度よく制御できる。

本発明の第２の態様のロボットは、基台と、基台に腰軸を介して設けられ、腰軸の周方向において基台に対して回転可能に取り付けられた胴体と、胴体に設けられ、胴体に対して可動な複数のアームと、複数のアームを動かすアクチュエーターと、複数のアームのそれぞれに設けられ、アームの位置情報を検出する検出する第１検出器と、胴体に設けられ、胴体の位置情報を検出する第２検出器と、基台に収容され、アクチュエーターを駆動する駆動装置と、基台に収容され、第１検出器が検出した結果および第２検出器が検出した結果を使って、複数のアームのそれぞれの位置情報を演算する演算装置と、を備える。

このロボットは、アクチュエーターを駆動する駆動装置が基台に設けられているので、駆動装置が胴体に設けられる構成と比較して、胴体の慣性モーメントを下げることができる。そのため、このロボットは、胴体を動かすアクチュエーターへの負荷を低減できる。

本発明の第３の態様の制御装置は、第１の態様または第２の態様のロボットを制御する。第１の態様または第２の態様のロボットは、胴体の慣性モーメントを下げることができるので、この制御装置は、胴体の位置を精度よく制御できるとともに、胴体に取り付けられているアームの位置を精度よく制御できる。

本発明の第４の態様のロボットシステムは、第１の態様または第２の態様のロボットと、ロボットを制御する制御装置と、を備える。第１の態様または第２の態様のロボットは、胴体の慣性モーメントを下げることができるので、このロボットシステムは、胴体の位置を精度よく制御できるとともに、胴体に取り付けられているアームの位置を精度よく制御できる。

第１実施形態に係るロボットシステムを示す図である。 第２実施形態に係るロボットシステムを示す図である。 第３実施形態に係るロボットシステムを示す図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るロボットシステム１を示す図である。ロボットシステム１は、ロボット２と、このロボット２を制御する制御装置３を備える。ロボットシステム１は、例えば、工業製品を生産する工場に設置され、工業製品の組み立て作業の少なくとも一部に利用される。この組み立て作業の一部は、人間によって行われる場合があり、ロボット２は、組み立て作業中に人間が立ち入る可能性があるスペースに設置される。

ロボット２は、基台４と、この基台４に回転可能に取り付けられた胴体５と、胴体５に取り付けられ胴体に対して可動なアーム６と、アーム６を動かすアクチュエーター７と、基台４に設けられアクチュエーター７を駆動する駆動装置８と、を備える。

基台４は、工場の床あるいは地面などの設置面Ｆ上に配置される。図１において、基台４は、設置面Ｆに対して移動不能に固定されている。基台４は、例えば、設置面Ｆに接するベース部材１０と、ベース部材１０上に設けられた支持部材１１とを含む。ベース部材１０及び支持部材１１は、それぞれ、その内部に収容スペースを有する箱状である。支持部材１１の内部のスペースは、ベース部材１０の内部のスペースと連通している。

胴体５は、基台４に腰軸１２を介して取り付けられ、腰軸１２の周方向において基台４に対して回転可能である。腰軸１２は、鉛直方向に延びる中空の円筒状であり、基台４の支持部材１１に回転可能に支持されている。支持部材１１にはアクチュエータ１３が設けられており、腰軸１２は、アクチュエータ１３から供給されるトルクによって回転する。

図１のロボット２は、いわゆる双腕ロボットであり、アーム６は、アーム６ａ及びアーム６ｂを含む。アーム６ａ及びアーム６ｂは、それぞれ、胴体５に対して可動である。図１において、アーム６ｂは、胴体５に対してアーム６ａと対称的に配置されており、アーム６ｂと同様の構造である。そのため、ここではアーム６ａの構造を代表的に説明し、アーム６ｂの説明を簡略化あるいは省略する。

アーム６ａは、第１関節部１５ａを介して胴体５に取り付けられている。アーム６ａは、いわゆる多関節のロボットアームであり、胴体５に対して多自由度で動くことができる。アーム６ａは、第１関節部１５ａに一端が接続された第１腕部１６ａと、第１腕部１６ａの他端に接続された第２関節部１５ｂと、第２関節部１５ｂに接続された第２腕部１６ｂと、第２腕部１６ｂの先端に取り付けられたハンド１７とを含む。

アーム６ａは、ハンド１７を可動範囲内の所望の位置に移動し、ハンド１７により各種の処理を実行できる。例えば、ロボット２が組み立て作業に使われる場合に、ハンド１７は、処理対象の部品を把持しながら所定の位置に移動させる処理を実行する。

アーム６ａは、アクチュエーター７から供給される用力によって、動作する。図１において、アクチュエーター７は、動力１８ａおよび動力１８ｂを含む。動力１８ａと動力１８ｂのそれぞれは、電力により用力を発生し、この用力をアーム６ａの各部に供給する。動力１８ａと動力１８ｂのそれぞれは、例えば、電動モータなどの動力源、ギアボックスなどの動力伝達部を含む。動力１８ａは、第１腕部１６ａに設けられており、第２腕部１６ｂを第２関節部１５ｂの周りで動かす用力を供給する。動力１８ｂは、第２腕部１６ｂに設けられており、ハンド１７を第２腕部１６ｂに対して動かす用力を供給する。

駆動装置８は、電源装置であり、例えば、インバータとコンバータの少なくとも一方を含む電源回路、この電源回路を冷却する冷却器、外部から供給された電力を変換するトランスなどを含む。駆動装置８は、外部から供給される電力（電圧、電流）を、アクチュエーター７で必要とされる電力（電圧、電流）に変換し、変換した電力をアクチュエーター７に供給する。なお、胴体５には、アーム６ａの第１腕部１６ａを胴体５に対して動かすためのアクチュエータが設けられており、駆動装置８は、このアクチュエータで消費される電力も供給する。

駆動装置８へ供給される電力は、例えば電力会社等の商用電源からの電力であるが、工場に設けられた発電装置からの電力、ロボット２に設けられた蓄電装置からの電力の少なくとも１つを含んでいてもよい。

駆動装置８は、基台４のベース部材１０の内部に収容されている。駆動装置８の重心は、基台４と胴体５とアーム６とを含むロボット本体の重心よりも下方（設置面Ｆの近く）に配置されている。駆動装置８は、動力１８ａおよび動力１８ｂのそれぞれと電源ケーブル等で電気的に接続されている。この電源ケーブルは、基台４の内部から腰軸１２の内部を通して胴体５まで配され、胴体５からアーム６ａの内部を通して、動力１８ａおよび動力１８ｂの動力源（電動モータ）まで配されている。

アーム６ａには、アーム６ａの位置情報を検出する第１検出器２０が設けられている。また、基台４のベース部材１０には、アーム６ａの位置情報を演算する演算装置２１が収容されている。演算装置２１は、第１検出器２０が検出した結果を使って、アーム６ａの位置情報を演算する。

第１検出器２０は、アーム６ａの制御演算にフィードバックするための情報を検出するモーションセンサーを含む。このようなモーションセンサーとしては、例えば、ロータリーエンコーダー、レゾルバ、ジャイロセンサーなどの角度センサー、加速度センサーなどの慣性センサーなどが挙げられる。本実施形態において、第１検出器２０は、モーションセンサーとしてジャイロセンサーを含み、アーム６ａの角度変化（姿勢変化）を示す位置情報を検出する。第１検出器２０は、通信ケーブル等を介して演算装置２１と接続されており、検出結果を演算装置２１へ送信する。この通信ケーブルは、例えば、第１検出器２０からアーム６ａの内部を通して胴体５まで配され、胴体５から腰軸１２の内部および基台４の内部を介して演算装置２１まで配されている。

演算装置２１は、いわゆるサーボ演算を実行する演算器であり、演算回路などを含む。演算装置２１は、例えば、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＳｏＣ、マイコン、ＣＰＵなどのように演算可能なハードウエアを含む。演算装置２１の重心は、基台４と胴体５とアーム６とを含むロボット本体の重心よりも下方（設置面Ｆの近く）に配置されている。

演算装置２１は、第１検出器２０からの検出結果を使って、アーム６ａの位置の推定値を算出する。例えば、演算装置２１は、アーム６ａの角速度を示す角度情報を第１検出器２０から受け取り、角速度を積分することでアーム６ａの回転位置を算出する。また、演算装置２１は、アーム６ａの位置の推定値と目標値とを比較して、アーム６ａを目標位置へ移動させるための制御量を算出する。

本実施形態において、ロボット２が動作中の各時刻におけるアーム６ａの目標位置を示すスケジュール情報は、制御装置３から供給される。演算装置２１は、制御装置３から供給されたスケジュール情報に基づいて、アーム６ａを目標位置へ移動させるのに必要な駆動量として、駆動装置８からアクチュエーター７への供給電力の目標値（制御量）を算出する。演算装置２１は、供給電力の目標値を駆動装置８へ出力し、駆動装置８は、この供給電力の目標値に従ってアクチュエーター７を駆動する。例えば、演算装置２１は、アーム６ａを動かすための電圧波形を駆動装置８へ出力し、駆動装置８は、演算装置２１からの電圧波形を適宜増幅してアクチュエーター７へ供給する。このように、演算装置２１は、ロボット２内の制御装置であり、アーム６ａを制御の少なくとも一部に寄与する。

制御装置３は、例えば、ＣＰＵ、及びメモリーなどの記憶域を備えるコンピュータを含む。このコンピュータには、例えば、ハードディスクなどの記憶装置、キーボードなどの入力装置、ディスプレイなどが設けられる。制御装置３の記憶装置には、ロボット２に所定の処理を実行させるためのプログラムが格納されている。このプログラムには、例えば、組み立て作業の各時刻におけるアーム６ａの位置、動作を規定したスケジュールが規定されている。制御装置３は、このスケジュールに従って、各時刻におけるアーム６ａの目標位置を示すスケジュール情報を演算装置２１に供給する。アーム６ａは、スケジュール情報に基づいて演算装置２１が駆動装置８を制御することにより、目標位置で所定の動作を実行するように制御される。なお、制御装置３は、駆動装置８をモニターし、動作のオンオフなどを適宜制御する。作業者は、制御装置３の入力装置を使って上記のスケジュール情報を記憶装置に記憶させたり、ディスプレイを使ってロボットシステム１の動作状況を確認したりすることができる。

以上のような構成の本実施形態のロボット２は、駆動装置８が基台４に設けられているので、駆動装置が胴体５に設けられる構成と比較して、胴体５を小型化、軽量化できる。このように、ロボット２は、胴体５の慣性モーメントを下げることができるので、胴体５を基台４に対して動かすための用力を減らすこと、胴体５の加減速に要する時間を短縮すること等ができ、利便性が高くなる。

ところで、ロボット２は、作業者が組み立て作業を行うスペースと同じ屋内で利用される場合がある。この場合に、アーム６ａの動作中に、アーム６ａの可動範囲に作業者が立ち入ることがありえる。本実施形態におけるアーム６ａは、例えば作業者との衝突などによる不慮の事故の発生を抑制するために、胴体５および基台４に比べて剛性が低く設定されている。一般的に、アームの剛性が低くなるとアームの振動が収まりにくくなる。しかしながら、本実施形態においては、演算装置２１が第１検出器２０（ジャイロセンサー）の検出結果に基づいてサーボ演算するので、アーム６ａの振動をおさえることができる。結果として、ロボット２は、アーム６ａの位置を精度よく制御できる。

本実施形態に係るロボット２は、駆動装置８が基台４の内部に収容されているので、省スペースにできるとともに、駆動装置８と外部（例えば作業者）との干渉、衝突を避けることができる。また、ロボット２は、演算装置２１が基台４の内部に収容されているので、省スペースにでき、また演算装置２１と外部（例えば作業者）との干渉、衝突を避けることができる。

本実施形態に係るロボット２は、駆動装置８の重心がロボット本体の重心よりも下方に配置されるので、ロボット全体の重心が低くなり、設置面Ｆに安定的に設置できる。また、ロボット２は、演算装置２１の重心がロボット本体の重心よりも下方に配置されるので、ロボット全体の重心が低くなり、設置面Ｆに安定的に設置できる。

本実施形態に係る制御装置３は、ロボット２の胴体５の位置を精度よく制御できるとともに、胴体５に取り付けられているアーム６ａの位置を精度よく制御できる。結果として、ロボット２の利便性が高くなる。本実施形態に係るロボットシステム１は、胴体５の位置を精度よく制御できるとともに、胴体５に取り付けられているアーム６ａの位置を精度よく制御でき、利便性が高くなる。

＜第２実施形態＞
次に第２実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して説明を簡略化あるいは省略する。

図２は、第２実施形態に係るロボットシステム１を示す図である。図２のロボット２は、基台４に設けられた車輪２２を備え、設置面Ｆに対して移動可能である。ロボット２は、人力によって移動する構成でもよいし、モーター等を内蔵し自走する構成でもよい。このロボット２は、設置すること、設置位置を変更することなどが容易であり、利便性が高くなる。このように、ロボット２は、設置面Ｆに固定される以外の態様も取りえる。

また、本実施形態に係るロボット２は、胴体５の位置情報を検出する第２検出器２３を備える。第２検出器２３は、胴体５に設けられたジャイロセンサーを含み、胴体５の角速度を検出する。演算装置２１は、第２検出器が検出した結果を使って、胴体５の位置の推定値（位置情報）を算出する。また、演算装置２１は、胴体５の位置の推定値と、第１検出器２０の検出結果とを使って、アーム６ａの位置の推定値（位置情報）を算出する。このロボット２は、アーム６ａの振動を抑えることなどができ、アーム６ａの位置を精度よく制御できる。

＜第３実施形態＞
次に第３実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して説明を簡略化あるいは省略する。

図３は、第３実施形態に係るロボットシステム１を示す図である。図３のロボット２は、天井などの設置面Ｒに設けられている。ロボット２において、基台４は設置面Ｒに固定されており、胴体５およびアーム６ａは、基台４から鉛直下方へ延びている。このように、ロボット２は、鉛直上方の面に設置されていてもよいし、上述の実施形態のように鉛直下方の面に設置されていてもよく、また壁などに設置されていてもよい。また、ロボット２は、設置面Ｒに設けられたクレーンに支持され、このクレーンによって移動可能であってもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、上記の実施形態で説明した要件の少なくとも１つは、省略されることある。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。

上述の実施形態において、アーム６は、複数のアーム（アーム６ａおよびアーム６ｂ）を含むが、ロボット２に設けられるアームの数は１つでもよいし、３つ以上でもよい。アーム６は、複数のアームが互いに独立して動作可能であってもよいし、複数のアームのうち２つ以上が互いに連動して動くものでもよい。複数のアームは、アームごとに異なる処理を実行してもよいし、２つ以上のアームが同じ処理を行ってもよく、２つ以上のアームが協働して１つの処理を行ってもよい。

上述の実施形態において、ロボット２は、組み立て作業の少なくとも一部を実行し、ハンド１７は、処理対象の部品の移動などに使われるが、ハンド１７が実行する処理に限定はない。また、ハンド１７には、各種処理を実行する処理装置、例えば溶接処理を実行する溶接トーチ、接着剤などの塗布を行う塗布装置が設けられていてもよい。

上述の実施形態において、第１検出器２０および第２検出器２３は、それぞれ、ジャイロセンサーを含むが、光学式または磁気式のエンコーダなどの位置検出器、加速度計あるいは速度計などの速度検出器の少なくとも一方を含んでいてもよい。

上述の実施形態において、ロボット２は、演算装置２１を備えているが、演算装置２１を備えていなくてもよい。例えば、演算装置は、ソフトウエアで構成されるデジタル演算器であって、制御装置３の一部であってもよい。また、制御装置３は、ロボット１に内蔵されていてもよい。例えば、制御装置３の少なくとも一部（例えば、演算部）は、基台４に収容されていてもよく、タッチパネルなどの入力装置を介して制御装置３へ指令などを入力可能であってもよい。この入力装置は、基台４に取り付けられていてもよいし、基台４から離れた位置に配置され、有線または無線で制御装置３と接続されていてもよい。

１ ロボットシステム、２ ロボット、３ 制御装置、４ 基台、５ 胴体、６、６ａ、６ｂ アーム、７ アクチュエーター、８ 駆動装置、１２ 腰軸、２０ 第１検出器、２１ 演算装置、２３ 第２検出器

Claims (9)

1. 基台と、
   前記基台に回転可能に設けられた胴体と、
   前記胴体に設けられ、前記胴体に対して可動なアームと、
   前記アームを動かすアクチュエーターと、
   前記基台に設けられ、前記アクチュエーターを駆動する駆動装置と、を備えるロボット。
2. 前記駆動装置は、前記基台の内部に収容されている
   請求項１に記載のロボット。
3. 前記駆動装置の重心は、前記胴体と前記アームと前記基台とを含むロボット本体の重心よりも重力方向で下方に配置されている
   請求項２に記載のロボット。
4. 前記基台の内部に収容され、前記アームの位置情報を演算する演算装置を備える
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボット。
5. 前記アームに設けられ、前記アームの位置情報を検出する第１検出器を備え、
   前記演算装置は、前記第１検出器が検出した結果を使って、前記アームの位置情報を演算する
   請求項４に記載のロボット。
6. 前記胴体に設けられ、前記胴体の位置情報を検出する第２検出器を備え、
   前記演算装置は、前記第２検出器が検出した結果を使って、前記アームの位置情報を演算する
   請求項４又は５に記載のロボット。
7. 基台と、
   前記基台に腰軸を介して設けられ、前記腰軸の周方向において前記基台に対して回転可能に取り付けられた胴体と、
   前記胴体に設けられ、前記胴体に対して可動な複数のアームと、
   前記複数のアームを動かすアクチュエーターと、
   前記複数のアームのそれぞれに設けられ、前記アームの位置情報を検出する検出する第１検出器と、
   前記胴体に設けられ、前記胴体の位置情報を検出する第２検出器と、
   前記基台に収容され、前記アクチュエーターを駆動する駆動装置と、
   前記基台に収容され、前記第１検出器が検出した結果および前記第２検出器が検出した結果を使って、前記複数のアームのそれぞれの位置情報を演算する演算装置と、を備えるロボット。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のロボットを制御する制御装置。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のロボットと、
   前記ロボットを制御する制御装置と、を備えるロボットシステム。

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