JP2016129912A - 多関節ロボット - Google Patents
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Abstract
【課題】流体圧により駆動が可能であって、且つ、対象物の重量を検出可能な多関節ロボットを提供すること。【解決手段】実施形態の多関節ロボット1は、リンク機構12と、流体圧機構13と、圧力検出装置46と、制御装置14と、を備える。リンク機構12は、複数の回転関節22、複数のリンク21、並びに、回転関節22に対してリンク21をそれぞれ回動させる、シリンダ31及びピストン32を備える複数のアクチュエータ23を備える。流体圧機構13は、アクチュエータ23を駆動する。圧力検出装置46は、リンク21に対象物100が支持された状態でアクチュエータ23を駆動したときのシリンダ31内の圧力を検出する。制御装置14は、圧力検出装置45で検出したシリンダ31内の圧力及びシリンダ31の面積からアクチュエータ23の推力を求め、回転関節22からリンク21の先端までの距離Lと推力から回転関節22の関節トルクτを求め、関節トルクτ並びに回転関節2及びリンク21のヤコビ行列JTから対象物100の重量fを求める。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、多関節ロボットに関する。
従来から、高い応答性を有する多関節ロボットとして、電動モータを用いてアームを駆動する技術が知られている。しかし、電動モータは出力が小さいことから、可搬重量を大きくするためには、電動モータの大型化及びアームの大型化が必要であった。
また、ロボットを用いて対象物を搬送する場合には、対象物の重量を検出できる機能の要望もある。このため、アームの手先に力覚センサを設ける技術も知られている。
本発明が解決しようとする課題は、流体エネルギを用いて駆動することが可能であって、且つ、対象物の重量を検出可能な多関節ロボットを提供することにある。
実施形態の多関節ロボットは、リンク機構と、流体圧機構と、圧力検出装置と、制御装置と、を備えている。リンク機構は、複数の回転関節、前記回転関節に接続された複数のリンク、並びに、前記回転関節に対して前記リンクをそれぞれ回動させる、シリンダ及びピストンを備える複数のアクチュエータを備える。流体圧機構は、前記アクチュエータを駆動する。圧力検出装置は、前記リンクに対象物が支持された状態で前記アクチュエータを駆動したときの前記シリンダ内の圧力を検出する。制御装置は、前記圧力検出装置で検出した前記シリンダ内の圧力及び前記シリンダの面積から前記アクチュエータの推力を求め、前記回転関節から前記リンクの先端までの距離と前記推力から前記回転関節の関節トルクを求め、前記関節トルク並びに前記回転関節及び前記リンクのヤコビ行列から前記対象物の重量を求める。
ここでは、一実施形態として、流体の圧力エネルギを用いて駆動する流体機構を有し、且つ対象物の重量を検出することが可能な多関節ロボットについて説明する。
以下、一実施形態に係る多関節ロボット1を、図1乃至図3を用いて説明する。
図1は一実施形態に係る多関節ロボット1の構成を模式的に示す説明図、図2は多関節ロボット1の構成を模式的に示す説明図、図3は多関節ロボット1の一の回転関節22を中心としたリンク21の駆動時の圧力変動のグラフを示す説明図である。
図1は一実施形態に係る多関節ロボット1の構成を模式的に示す説明図、図2は多関節ロボット1の構成を模式的に示す説明図、図3は多関節ロボット1の一の回転関節22を中心としたリンク21の駆動時の圧力変動のグラフを示す説明図である。
ここでは、流体の圧力を用いて駆動するものの一例として、油圧機構を用いている。流体圧機構は、流体の圧力エネルギを利用して駆動するものであれば良い。よって、本実施の形態では、油圧機構の他、気体(例えば、空気)、あるいは液体(例えば、水)を用いた機構を使用することができる。
図1に示すように、多関節ロボット1は、ベース11と、ベースに設けられたアーム12と、アーム12を駆動する油圧機構13(流体圧機構の一例)と、油圧機構13を制御する制御装置14と、を備えている。多関節ロボット1は、アーム12により対象物を持ち上げて、搬送元から搬送先へ搬送することが可能に形成されている。
ベース11は、多関節ロボット1を設置する設置面に固定さる。ベース11は、例えば、多関節ロボット1の腰部等を構成する。ベース11は、アーム12の方向を変更可能に、例えば、重力方向に対して旋回可能に形成されている。ベース11は、例えば、電動モータにより旋回される。
アーム12は、ベース11に設けられる。アーム12は、複数のリンク21と、リンク21を接続する複数の回転関節22と、回転関節22を中心にリンク21を回動させる複数のアクチュエータ23と、を備えている。
また、アーム12は、先端のリンク21に、電動モータ等により駆動されるハンド等のエンドエフェクタを備えている。アーム12は、ベース11に複数設けられる。本実施形態においては、図2に示すように、アーム12を2つ有する多関節ロボット1を用いて、以下説明する。
リンク21は、隣り合うリンク21と回転関節22により連接される。
回転関節22は、リンク21を回転可能に、リンク21同士を接続する。
回転関節22は、リンク21を回転可能に、リンク21同士を接続する。
アクチュエータ23は、シリンダ31及びピストン32を備えている。アクチュエータ23は、シリンダ31のピストン32により仕切られ、ピストン32の位置により容積が可変する2つの油圧室を備えている。アクチュエータ23は、当該2つの油圧室が油圧機構13に接続される。アクチュエータ23は、回転関節22と同数設けられる。アクチュエータ23は、ピストン32の移動によって、リンク21が回転関節22を中心に回動する。なお、ピストン32は、シリンダ31から突出するピストンロッドにより、リンク21を回動させる。
油圧機構13は、ポンプ41、第1配管42、切替弁43及び第2配管44を備えている。また、油圧機構13は、ポンプ41から吐出された作動油の温度を検出する温度検出装置45と、アクチュエータ23及び切替弁43の間の油圧を検出する圧力検出装置46と、を備えている。
ポンプ41は、作動油を増圧して吐出する。ポンプ41は、モータを備えている。ポンプ41は、制御装置14に接続されている。
第1配管42は、ポンプ41及び切替弁43を接続する。第1配管42は、ポンプ41から吐出される作動油の流路を構成する。
切替弁43は、第1配管42に接続される。切替弁43は、2つの第2配管44に接続される。切替弁43は、信号線99を介して制御装置14に接続される。切替弁43は、例えば、内部に異なる2つの流路を有する。切替弁43は、当該2つの流路を切り替えることで、2つの第2配管44の一方に選択的に作動油を流す。また、切替弁43は、作動油を流す第2配管44とは他方の第2配管44からの作動油の戻り流路を構成する。
第2配管44は、切替弁43に接続される。2つの第2配管44は、アクチュエータ23の2つの油圧室にそれぞれ接続される。
温度検出装置45は、第1配管42に設けられる。温度検出装置45は、信号線99を介して制御装置14に接続される。温度検出装置45は、第1配管42を通過する作動油の温度(油温)を検出する。温度検出装置45は、検出した油温を制御装置14に送信する。
圧力検出装置46は、内部に歪みゲージを有し、作動油の圧力による歪み量から圧力を検出可能な圧力センサである。圧力検出装置46は、第2配管44にそれぞれ設けられる。圧力検出装置46は、信号線99を介して制御装置14に接続される。圧力検出装置46は、アクチュエータ23に接続された第2配管44内の圧力(油圧)を検出する。圧力検出装置46は、検出した圧力を制御装置14に送信する。
制御装置14は、モータの駆動を制御する。制御装置14は、切替弁43の作動油の流れを切り替える。制御装置14は、温度検出装置45で検出された温度に対する補正値が記憶された記憶部51を備えている。また、制御装置14は、情報を表示するディスプレイ等の表示部52を備えている。
また、制御装置14は、以下の機能(1)乃至(3)を有している。
(1)対象物100を搬送する機能
(2)対象物100の重量を検出する機能
(3)対象物100の重心を検出する機能
次に、上述の機能(1)乃至機能(3)について説明する。
機能(1)は、油圧機構13によりアクチュエータ23を駆動することで、リンク21を駆動させて対象物100を搬送する機能である。具体的には、ポンプ41を駆動するとともに、対象物100にアーム12のエンドエフェクタが当接するように切替弁43を切り替えて、リンク21を回動させる。次に、エンドエフェクタの電動モータを駆動して、エンドエフェクタにより対象物100を保持させる。
(1)対象物100を搬送する機能
(2)対象物100の重量を検出する機能
(3)対象物100の重心を検出する機能
次に、上述の機能(1)乃至機能(3)について説明する。
機能(1)は、油圧機構13によりアクチュエータ23を駆動することで、リンク21を駆動させて対象物100を搬送する機能である。具体的には、ポンプ41を駆動するとともに、対象物100にアーム12のエンドエフェクタが当接するように切替弁43を切り替えて、リンク21を回動させる。次に、エンドエフェクタの電動モータを駆動して、エンドエフェクタにより対象物100を保持させる。
次に、切替弁43を切り替えて、リンク21を回動させることで対象物100を搬送先に移動させる。その後、エンドエフェクタを駆動して、対象物100の保持を解除する。なお、対象物100の搬送に必要であれば、腰部の電動モータを駆動し、アーム12の向きを変更させる。このように、機能(1)は、油圧機構13を制御してアクチュエータ23を駆動し、且つ、電動モータを制御して、2つのアーム12によって対象物100を搬送元から搬送先に搬送する機能である。
機能(2)は、2つのアーム12によって対象物を搬送するときに、対象物100の重量を検出する機能である。具体的には、先ず、機能(1)によって対象物100を搬送するときに、対象物100をアーム12によって持ち上げたときの、シリンダ31の圧力を検出する。より具体的には、2つの圧力検出装置46によって検出されたシリンダ31の2つの油圧室の圧力の差を検出する。
即ち、図3に示すように、対象物100の持ち上げ前から対象物100の持ち上げ中とり、対象物100の重量がアーム12に加わると、圧力が変動する。さらに、完全に対象物100が持ち上がり、対象物100の全重量がアーム12に加わると、圧力の変動が安定する。この対象物100の全重量がアーム12に加わったときの、シリンダ31の2つの油圧室に加わる圧力差uを検出する。なお、図3にそれぞれ対象物100が0kgf(対象物100なし)、14kgf、28kgfである場合の例を示すように、対象物100の重量が異なる場合には、シリンダ31の油圧室に加わる圧力差uが異なる。
次に、当該圧力差u、回転中心距離L、シリンダ31の開口面積A、アクチュエータ23の効率ηから、以下の式(1)により関節トルクτを求める。なお、回転中心距離Lとは、リンク21の回転中心(回転関節22)からリンク21の端部までの長さである。シリンダ31の開口面積Aとは、ピストン32の有効面積である。アクチュエータ23の効率ηとは、シリンダ31とピストン32の間に設けられるシール部材の摩擦等である。
これら回転中心距離L、シリンダ31の開口面積A及びアクチュエータ23の効率ηは、多関節ロボット1の設計時に、又は、製造後の測定等により予め求められ、記憶部51に予め記憶される。
τ=L×(u×A×η) (1)
なお、ここで、u×A×ηはアクチュエータ23の推力となる。
なお、ここで、u×A×ηはアクチュエータ23の推力となる。
次に、求めた各関節トルクτと、ヤコビ行列JTから、以下の式(2)によりアーム12の先端、即ちハンドセットに加わる対象物100の重量fを求める。なお、ヤコビ行列JTとは、多関節ロボット1の設計値である。
τ=JT×f (2)
次に、温度検出装置45で検出された温度から、記憶部51に記憶された複数の補正値の一を選択し、当該選択された補正値に基づいて求めた重量fを補正する。また、当該求めた重量fを例えば表示部52に表示する。このように、機能(2)は、多関節ロボット1の設計値、並びに、温度検出装置45及び圧力検出装置46の検出値から、対象物100の重量fを導出する機能である。なお、アーム12が2本の場合においては、各アーム12から求めた重量fの和が対象物100の総重量Wとなる。
次に、温度検出装置45で検出された温度から、記憶部51に記憶された複数の補正値の一を選択し、当該選択された補正値に基づいて求めた重量fを補正する。また、当該求めた重量fを例えば表示部52に表示する。このように、機能(2)は、多関節ロボット1の設計値、並びに、温度検出装置45及び圧力検出装置46の検出値から、対象物100の重量fを導出する機能である。なお、アーム12が2本の場合においては、各アーム12から求めた重量fの和が対象物100の総重量Wとなる。
機能(3)は、機能(2)で求めた対象物100の重量f(総重量W)から、対象物100の重心を求める方法である。具体的には、図2に示すように、一方のアーム12で求めた重量をfrとし、他方のアーム12で求めた重量をflとした場合、総重量W=fr+flとなる。
ここで、以下の回転釣り合いの式(3)及び幾何学条件の式(4)から対象物100の重心Pを求める。なお、以下の式において、Paは、一方のアーム12のハンドセットから対象物100の重心Pまでの距離、Pbは他方のアーム12のハンドセットから対象物100の重心Pまでの距離である。また、Tは、対象物100のサイズであり、換言すると、Tは、一対のアーム12のハンドセット間の対象物100の距離である。
Pa×fr=Pb×fl (3)
T=Pa+Pb (4)
このように、機能(3)は、アーム12間の対象物100の重心Pを求める機能である。
T=Pa+Pb (4)
このように、機能(3)は、アーム12間の対象物100の重心Pを求める機能である。
このように構成された多関節ロボット1によれば、制御装置14の機能(1)により、油圧機構13によりアクチュエータ23を制御することで、対象物100を所定の位置に搬送することが可能となる。このため、高い可搬重量を有する多関節ロボット1とすることが可能となる。
また、多関節ロボット1は、制御装置14の機能(2)及び機能(3)により、対象物100の搬送時に、対象物100の重量f及び重心Pを検出可能となる。即ち、多関節ロボット1は、別途力覚センサをアーム12に設ける必要がない構成である。本実施形態の多関節ロボット1においては、油圧機構13を制御するために必要な圧力検出装置46を用いることで対象物100の重量f及び重心Pを検出する構成である。このため、多関節ロボット1の製造コストを増加させることがなく、安価に製造することが可能となり、且つ、対象物100の重量f及び重心Pを検出することが可能となる。
また、多関節ロボット1は、関節トルクτ及びヤコビ行列JTから対象物100の重量fを求めるため、対象物100の位置やアーム12の姿勢に応じて対象物100の重量f及び重心Pを求めることが可能となる。また、多関節ロボット1は、油温に基づいて求めた補正値により重量fを補正することで、油温の上昇に伴う作動油の粘性の変化等による推力の変化に対して補正することが可能となる。このため、多関節ロボット1は、高い精度で重量f及び重心Pを求めることが可能となる。
さらに、力覚センサに比べ、温度検出装置45及び圧力検出装置46は、高い耐衝撃性を有することから、多関節ロボット1の故障を防止可能となる。
また、このような多関節ロボット1は、例えば、製造ラインや納品ライン等で用いる場合には、部品(対象物100)の搬送忘れや部品の異常等を検出することが可能となる。
例えば、制御装置14の記憶部51に、予め部品の重量f及び重心Pを閾値として記憶させ、部品を搬送するときに、部品の重量f及び重心Pを求め、記憶部51に記憶された閾値と比較する。部品の重量f及び重心Pが閾値の範囲内であれば正常と判断し、部品の重量f及び重心Pが閾値の範囲外である場合は異常と判断する。異常と判断した場合には、制御装置14は、表示部52に当該情報を表示し、監視員に異常を報知する。
また、例えば、制御装置14の記憶部51に搬送する複数の部品の情報を閾値として記憶させ、一連の組み立て工程において、全ての部品が搬送されたか否かを求めた部品の重量fと記憶部51に記憶された閾値と比較する。当該重量fと閾値とが同じである場合には正常と判断し、部品の一部が搬送されていない場合には、部品の組み立て抜けがあるとして異常と判断し、同様に、制御装置14が表示部52を介して当該異常を報知する。
このように、多関節ロボット1は、検出した重量f及び重心Pのデータから、搬送時の異常を検出することも可能となる。
上述したように本実施形態に係る多関節ロボット1によれば、油圧機構により駆動することが可能であって、且つ、対象物100の重量を検出することが可能となる。
なお、本実施形態に係る多関節ロボット1は、上述した構成に限定されない。例えば、多関節ロボット1は、複数のアーム12を用いる構成を説明したがこれに限定されない。例えば、ハンドセットによって対象物100を把持する一のアーム12であってもよい。但し、一のアーム12により構成される多関節ロボット1の場合には、重量fを検出可能であるが、重心Pを検出することができない。また、アーム12を3つ以上備える多関節ロボット1であってもよい。アーム12の数が増えることで、対象物100の重心Pを多軸方向で検出することが可能となる。
即ち、アーム12を2つ用いる場合には、2つのアーム12間を結ぶ一方向における重心Pを求めることが可能であり、アーム12を3つ用いる場合には、3つのアーム12間の重心P、即ち面方向における重心Pを求めることが可能である。さらに、アーム12を4つ以上用いる場合には、アーム12により対象物100を保持する位置に応じて3軸方向における重心Pを求めることも可能となる。
また、上述した例では、多関節ロボット1は、リンク機構として複数のリンク21及び回転関節22を備えるアーム12を用いる構成を説明したがこれに限定されず、複数のリンク21及び回転関節22を有する構成であれば、他の構成であってもよい。例えば、多関節ロボット1は、リンク機構としてその上部に対象物100が載置される複数の脚部をリンク機構として有する構成であってもよく、同様に、リンク機構が腰部であってもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…多関節ロボット、11…ベース、12…アーム、13…油圧機構(流体圧機構)、14…制御装置、21…リンク、22…回転関節、23…アクチュエータ、31…シリンダ、32…ピストン、41…ポンプ、42…第1配管、43…切替弁、44…第2配管、45…温度検出装置、46…圧力検出装置、51…記憶部、52…表示部、99…信号線、100…対象物。
Claims (5)
- 複数の回転関節、前記回転関節に接続された複数のリンク、並びに、前記回転関節に対して前記リンクをそれぞれ回動させる、シリンダ及びピストンを備えるアクチュエータを複数備えるリンク機構と、
前記アクチュエータを駆動する流体圧機構と、
前記リンクに対象物が支持された状態で前記アクチュエータを駆動したときの前記シリンダ内の圧力を検出する圧力検出装置と、
前記圧力検出装置で検出した前記シリンダ内の圧力及び前記シリンダの面積から前記アクチュエータの推力を求め、前記回転関節から前記リンクの先端までの距離と前記推力から前記回転関節の関節トルクを求め、前記関節トルク並びに前記回転関節及び前記リンクのヤコビ行列から前記対象物の重量を求める制御装置と、
を備えることを特徴とする多関節ロボット。 - 前記リンク機構は複数設けられ、
前記制御装置は、複数の前記リンク機構のそれぞれで求められた前記対象物の前記重量から、前記対象物の重心を求めることを特徴とする請求項1に記載の多関節ロボット。 - 前記制御装置は、前記重量及び前記対象物のサイズから前記対象物の重心を求めることを特徴とする請求項2に記載の多関節ロボット。
- 前記流体圧機構に設けられ、前記アクチュエータを駆動する作動油の油温を検出する温度検出装置と、
前記制御装置で求めた前記重量を前記油温に基づいて補正する補正値が複数記憶された記憶部と、を備え、
前記制御装置は、前記温度検出装置で検出された前記油温に基づいて、前記記憶部に記憶された前記補正値を選択し、前記選択した前記補正値に基づいて、求めた前記対象物の前記重量を補正することを特徴とする請求項2に記載の多関節ロボット。 - 前記リンク機構はアームであることを特徴とする請求項1に記載の多関節ロボット。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2015-01-13 JP JP2015004469A patent/JP2016129912A/ja active Pending
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