JP4822061B2

JP4822061B2 - 双腕ロボット

Info

Publication number: JP4822061B2
Application number: JP2006260911A
Authority: JP
Inventors: 学岡久; 敦一番ヶ瀬; 威憲岡
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP2007118177A

Description

本発明は、胴体の左右に２本の腕を備えた双腕ロボットに関する。

近年、製造業においてはこの双腕ロボットを人作業の置き換えに活用しようとする動きが活発になってきている。人作業の置き換えの場合、周辺の設備を流用するために腕部、胴体部は極力人のサイズに納めることが必要となる。従来の双腕ロボットは、腕の駆動にモータと減速機の組み合わせで構成しているのが一般的である。（例えば、特許文献１参照）。このように、従来の双腕ロボットは、駆動部をモータと減速機とその間の動力伝達装置で構成しているため構成部品が多くなり小型化するのが困難になる。
また、特許文献１においては図２でその上面図が示されるように、正面（ロボットが作業をする側）に対して胴体２１の側面に２つのアームが取り付けられている。特許文献１ではアームの先端までの内部構成及びアームの動作範囲は開示されていないが、通常、２つアームの各々の動作範囲が重なる作業領域の近傍にて協調動作を行う双腕ロボットでは、このように各アームを胴体側面に設ければ、各アームの動作範囲が互いに重なる作業領域が小さくなることは明らかで、これを回避するためにも、特許文献１では、さらに２つのアームを取り付ける胴体側面を斜めに形成し、各アームの動作範囲がなるべく重なるようにして、上記作業領域を確保していると思われる。しかしながら、各アームを胴体側面に設ければ、やはり作業領域を十分確保することは難しくなる。また、各アームには、制御点を補間動作させるときに、所謂特異点が存在するが、上記作業領域を十分確保しながら、かつ各アームの特異点が作業領域近傍で発生しないように構成することについて特許文献１では全く開示されていない。
特開２００５−２３８３５０号公報（４頁、図２）

このように、従来の双腕ロボットは、駆動部をモータと減速機とその間の動力伝達装置で構成しているため構成部品が多くなり小型化するのが困難にな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、腕の構成部品を最小限に抑え、小型化するとともに、作業領域を十分確保しつつ、さらに双腕の各アームの特異点を回避する、人作業の置き換えに適した双腕ロボット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、モータと、該モータに接続される減速機とによって駆動される複数の回転軸を有するアームを、胴体の左右に２本備えた双腕ロボットにおいて、前記モータと前記減速機は、一体となったアクチュエータとして構成され、前記アクチュエータが前記複数の回転軸に一致するようそれぞれ配置され、前記複数の回転軸のうち前記アームの各々を前記胴体の回転可能に支持する第１軸が、前記胴体の前面に延びるように設けられ、前記アームの各々が、前記胴体に対して第１軸で回転可能に一端が支持される第１フレームと、前記第１フレームの他端で第２軸で回転可能に一端が支持される第２フレームと、前記第２フレームの他端で第３軸で回転可能に一端が支持される第３フレームと、前記第３フレームの他端で第４軸で回転可能に一端が支持される第４フレームと、前記第４フレームの他端で第５軸で回転可能に一端が支持される第５フレームと、前記第５フレームの他端で第６軸で回転可能に支持されるエンドエフェクタ取付部と、で構成され、前記第２軸は前記第１軸と直交するよう設けられ、前記第３軸は前記第２軸と平行に設けられ、前記第４軸は前記第３軸と直交するよう設けられ、前記第５軸は前記第４軸と直交するよう設けられ、前記第６軸は前記第５軸と直交するよう設けられ、前記胴体を上面から見たとき、前記第１軸はフロアと平行で、かつ前記２本のアームの先端側が互いに離間して前記アームの作業領域が特異点から遠ざかるように前記胴体の前面に対して所定の角度傾斜して設けられているものである。
請求項２に記載の発明は、前記第２軸を回転させる第２軸アクチュエータは、前記第４軸及び前記第６軸が、前記第１軸の仮想延長線上に到達することがないよう、略Ｌ字状に形成された前記第１フレームの他端にて前記第２フレームを回転可能に支持するものである。
請求項３に記載の発明は、前記アクチュエータの各々の回転軸に、該アクチュエータを貫通する中空穴を設けたものである。
請求項４に記載の発明は、前記アクチュエータの各々の中空穴に、前記モータの動力ケーブルと信号ケーブルが挿入され、前記胴体の内部へと配線されているものである。
請求項５に記載の発明は、前記アームのそれぞれの先端にエンドエフェクタを備え、該エンドエフェクタに接続される流体用の管、または動力ケーブル、または信号ケーブルのいずれか１つが、前記アクチュエータの中空穴に配線されているものである。
請求項６に記載の発明は、前記胴体が、前記胴体を支持する基台に対して回転可能に支持されているものである。
請求項７に記載の発明は、前記基台が、前記基台を直線状に走行させる走行軸によって走行可能に構成されているものである。
請求項８に記載の発明は、前記アクチュエータの各モータ容量は、前記胴体側のアクチュエータと同等の容量であるか、またはそれ以下の容量であるものである。

本発明によれば、従来のように動力伝達装置を介することなくアクチュエータがアームの回転軸を駆動できるのでアームの構成部品を最小限に抑え、アームを小型化できるという効果がある。また、組立、メンテナンス時も短時間で行うことができるという効果も得られる。また、胴体の前面に２本のアームを設けたので、各アームの動作領域が重なる作業領域を大きくとることができる。
また、作業領域を大きく取りつつ、作業領域近傍での特異点発生を避けることができる。
また、第１軸に対して第２軸のアクチュエータをシフトさせているので、第４や第６軸が、第１軸の延長線上に存在しうることが無く、特異点の発生を抑えることができる。
また、第１軸をフロアに対して平行に設けているので、ほぼ人間と同様な作業領域で動作ができる。

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。

図５は、本発明の実施例を示す双腕ロボット１の外観図（鳥瞰図）である。図において、２は胴体、３は右腕、４は左腕、５は基台である。図の矢印が示す方向が双腕ロボット１の正面である。基台５の下面は、工場などのフロアに固定される。ただし、基台５自体を可動テーブルなどに載置して、所謂、走行軸を設けて、本発明の双腕ロボット１全体を移動させることも考えられる。基台５は胴体２を回転可能に支持しており、従って胴体２は図中θで示す方向に回転（旋回）することができる。胴体２の上部には右腕３と左腕４とが設けられている。胴体２に対する右腕３及び左腕４の接続形態の詳細については後述する。右腕３及び左腕４は、特段構成に違いが無く、各アームは後述のように多関節のロボットで構成されている。各アームはモータによって姿勢を形成する。各アームの先端には、同じく後述するエンドエフェクタ取付部Ｒ６ＥまたはＬ６Ｅが設けられている。該取付部には図示しないエンドエフェクタが適宜取り付けられる。エンドエフェクタは、例えばハンドリング用のハンド、Ｔｉｇ溶接やアーク溶接用の溶接トーチ、スポット溶接用のガン、そして流体塗料を噴射する塗装ガンなどである。そして、図６に記載のように、双腕ロボット１とケーブル８によって接続されたコントローラ６によって各アーム内に設けられるモータが制御され、各アームが所望の姿勢をとりながらエンドエフェクタによって作業を行う。特に本発明のような双腕ロボット１は双腕のアームを備えることにより、これらの作業を２つのアームで協調しながら多様なワークを行うことができる。

同じく図５にて各アームの構成を詳細に説明する。右腕３の構成部品には全て添え字Ｒを、左腕４の構成部品には全て添え字Ｌを付す。代表して右腕３の構成を説明するが、左腕４の構成は添え字をＬとして読み変えればよい。
胴体２に対して、Ｒ１フレームＲ１Ｆは、Ｒ１軸Ｒ１Ｊで回転可能に支持されている。Ｒ１軸Ｒ１Ｊは基台５が設置されるフロアに対して平行である。Ｒ１フレームＲ１Ｆには、Ｒ２フレームＲ２Ｆの一端がＲ２軸Ｒ２Ｊで回転可能に支持されている。Ｒ２軸Ｒ２ＪはＲ１軸Ｒ１Ｊに対して直交している。Ｒ２フレームＲ２Ｆの他端には、Ｒ３フレームＲ３Ｆの一端がＲ３軸Ｒ３Ｊで回転可能に支持されている。Ｒ３軸Ｒ３ＪはＲ２軸Ｒ２Ｊに対して平行である。Ｒ３フレームＲ３Ｆの他端には、Ｒ４フレームＲ４Ｆの一端がＲ４軸Ｒ４Ｊで回転可能に支持されている。Ｒ４軸Ｒ４ＪはＲ３軸Ｒ３Ｊに対して直交している。Ｒ４フレームＲ４Ｆの他端には、Ｒ５フレームＲ５Ｆの一端がＲ５軸Ｒ５Ｊで回転可能に支持されている。Ｒ５軸Ｒ５ＪはＲ４軸Ｒ４Ｊに対して直交している。Ｒ５フレームＲ５Ｆの他端には、エンドエフェクタ取付部Ｒ６ＥがＲ６軸Ｒ６Ｊで回転可能に支持されている。Ｒ６軸Ｒ６ＪはＲ５軸Ｒ５Ｊに対して直交している。

各アームの内部構成について図３を使って説明する。同じく代表して右腕３の内部構成を説明するが、左腕４の構成は添え字をＬとして読み変えればよい。図３は、図５における双腕ロボット１をＸ方向から見た図である。すなわちロボットの左側面図であって、右腕３と胴体２の一部とを示している。さらに右腕３を断面図にして作図している。図５と同等箇所には同一番号を付している。図３において、Ｒ１ＡはＲ１アクチュエータである。Ｒ１アクチュエータＲ１ＡはＲ１軸Ｒ１Ｊを駆動するものである。このアクチュエータはサーボモータと減速機が一体となって構成されたもので、サーボモータの出力軸に減速機が備えられている。Ｒ１アクチュエータＲ１Ａのフレームは胴体２に固定されている。そしてその出力軸（減速機の出力軸）がＲ１フレームＲ１Ｆの一端に接続されており、従ってＲ１フレームＲ１ＦはＲ１軸Ｒ１ＪでＲ１アクチュエータＲ１Ａによって回転する。同様にＲ２アクチュエータＲ２Ａ、Ｒ３アクチュエータＲ３Ａ、Ｒ４アクチュエータＲ４Ａ、Ｒ５アクチュエータＲ５Ａ、Ｒ６アクチュエータＲ６Ａが右腕３内部に存在する。すなわち、Ｒ２アクチュエータＲ２ＡはＲ１フレームの他端に設けられている。Ｒ１アクチュエータＲ１ＡとＲ２アクチュエータＲ２Ａの取付構成詳細については後述する。Ｒ２アクチュエータＲ２Ａは、Ｒ２軸Ｒ２ＪでＲ２フレーム２Ｆの一端に接続されて、これを回転させる。Ｒ３アクチュエータＲ３ＡはＲ２フレームの他端に設けられ、その出力軸がＲ３フレームＲ３Ｆの一端に接続されて、Ｒ３軸Ｒ３ＪでＲ３フレームＲ３Ｆを回転させる。Ｒ４アクチュエータＲ４ＡはＲ３フレームの他端に設けられ、その出力軸がＲ４フレームＲ４Ｆの一端に接続されて、Ｒ４軸Ｒ４ＪでＲ４フレームＲ４Ｆを回転させる。Ｒ５アクチュエータＲ５ＡはＲ４フレームＲ４Ｆの他端に設けられ、その出力軸がＲ５フレームＲ５Ｆの一端に接続されて、Ｒ５軸Ｒ５ＪでＲ５フレームＲ５Ｆを回転させる。Ｒ６アクチュエータＲ６ＡはＲ５フレームＲ５Ｆの他端に設けられ、その出力軸がエンドエフェクタ取付部Ｒ６Ｅを回転させる。
これらのアクチュエータは全て同様な構成であるが、モータとしての容量が、アームの先端（エンドエフェクタ側）側のアクチュエータほど小さくなっているか、または胴体２側の直前のアクチュエータと同等の容量である。なお、図３ではアームの姿勢によりＲ２アクチュエータＲ２Ａは見えないため図示していない。このようにモータと減速機一体のアクチュエータを使用すれば、アーム全体がコンパクトに形成できる。
また、これらのアクチュエータには全て中空穴７が設けられている。中空穴７は、各アクチュエータの回転軸であるＲ１〜６軸に沿ってアクチュエータを貫通したものである。図３では図示していないが、各アクチュエータの中空穴７には各モータの動力ケーブル、信号ケーブルが挿入され、胴体２の内部へと配線されている。また、場合によりエンドエフェクタで使用する流体用の管や、エンドエフェクタ自身の動力ケーブル、信号ケーブルも配線される。アクチュエータを中空構成にすれば、これらケーブル類をアームの中に内蔵できるので、アームの外部にこれらが露出することなく、周囲の装置との干渉が避けられ、外観もよく構成できる。

次に、以上で説明した各アームの胴体２に対する接続形態について図１を使って説明する。図１は、図５における双腕ロボット１の上面図であり、図の上側がロボットの正面である。なお図１では胴体２と各アームとの接続形態を説明するため、左右のアームが水平に伸長した状態で作図されている。また、各アーム３，４と胴体２との接続部分は一部断面図にしている。図のように、本発明においては、Ｒ１アクチュエータＲ１ＡとＬ１アクチュエータＬ１Ａとが、胴体２の正面に対して図中αの角度をもって設置されている。本実施例では、胴体２の正面に対するαの角度は１５°としている。つまりＲ１軸Ｒ１ＪとＬ１軸Ｌ１Ｊとが胴体２正面に対してαの角度をもって回転する。なお、Ｒ１軸Ｒ１ＪとＬ１軸Ｌ１Ｊとは、フロアに対しては水平（平行）である。そして、Ｒ２アクチュエータＲ２ＡはＲ２軸Ｒ２ＪがＲ１軸Ｒ１Ｊと直交するようにＲ１フレームＲ１Ｆの一端に設けられるとともに、Ｒ１軸Ｒ１Ｊの延長線上からシフトした位置にＲ２アクチュエータＲ２Ａが存在するよう、Ｒ１フレームＲ１ＦはＬ字状に湾曲していて、その他端にＲ２アクチュエータＲ２Ａが保持されている。Ｒ１アクチュエータＲ１Ａは、そのフレーム部分が胴体２に固定されていて、一方減速機部分の出力軸がＲ１フレームＲ１Ｆの一端に接続されてこれを回転させている。さらに、Ｒ２アクチュエータＲ２Ａは、Ｒ１フレームＲ１Ｆの他端に、減速機部分の出力軸が接続され、アクチュエータのフレーム部分がＲ２フレームＲ２Ｆの一端に接続されている。そして、Ｒ３アクチュエータＲ３Ａは、上述のように、アクチュエータのフレーム部分がＲ２フレームＲ２Ｆの他端に接続されて、一方減速機部分の出力軸がＲ３フレームＲ３Ｆの一端に接続されて、これを回転させる。また、Ｒ３アクチュエータＲ３Ａの回転軸のＲ３軸Ｒ３ＪはＲ２軸Ｒ２Ｊと平行となるようＲ２フレームＲ２Ｆに設けられている。つまり、Ｒ１軸Ｒ１ＪとＲ２軸Ｒ２Ｊとは直交し、Ｒ２軸Ｒ２ＪとＲ３軸Ｒ３Ｊは平行で、Ｒ３軸Ｒ３ＪとＲ４軸Ｒ４Ｊとは直交し、Ｒ４軸Ｒ４ＪとＲ５軸Ｒ５Ｊとは直交し、Ｒ５軸Ｒ５ＪとＲ６軸Ｒ６Ｊとは直交する、という形態になっている。なお、左腕４については右腕３と同様な構成であるため、説明は省略する。

次に、以上のように構成した本発明の双腕ロボット１について、アームの動作領域と作業領域、及び特異点について説明する。
図７は、Ｒ４軸Ｒ４ＪとＲ５軸Ｒ５Ｊとが交わるＲＰ点が動作可能な範囲を示すＲＰ点の動作範囲と、Ｌ４軸Ｌ４ＪとＬ５軸Ｌ５Ｊとが交わるＬＰ点が動作可能な範囲を示すＬＰ点の動作範囲とを示す、双腕ロボット１の上面図である。そして、これら２つの動作範囲が重なる領域（斜線部）が、２つのアームが協調しながら作業を行いやすい作業領域を示している。作業領域が大きいほど双腕ロボットとしての作業性が高まるため、本発明では従来のように胴体の側面にアームを設けるのではなく、胴体２の正面側の両端に２つのアームをそれぞれ設置して作業領域を大きく保つとともに、一方、上記のようにＲ１軸Ｒ１ＪとＬ１軸Ｌ１Ｊとをαの角度をもって胴体２に設置し、さらにＲ１軸Ｒ１Ｊの延長線上からシフトした位置にＲ２アクチュエータＲ２Ａが存在するよう、Ｒ１フレームＲ１ＦをＬ字状に湾曲させて、その他端にＲ２アクチュエータＲ２Ａを保持することで、Ｒ４軸Ｒ４ＪとＲ６軸Ｒ６ＪとがＲ１軸Ｒ１Ｊの延長線上に並ぶことを防ぎ、以下のように作業領域近傍で発生する特異点を回避している。
図４は、Ｒ６軸Ｒ６Ｊと、Ｒ４軸Ｒ４Ｊと、Ｒ２フレームＲ２Ｆ（Ｒ２軸Ｒ２ＪとＲ３軸Ｒ３Ｊの両方に垂直な仮想軸）とが全て、Ｒ１軸Ｒ１Ｊと平行となるような右腕３の姿勢を形成し、左腕４も同様な姿勢を形成したときの、本発明の双腕ロボット１の上面図を示している。この状態のとき、各アームに補間動作をさせると各アームでは所謂特異点が発生し、動作不可能な状態となる可能性がある。図７における作業領域近傍では、作業の都合上、各アームに補間動作をさせる可能性が高いため、本発明のようにＲ１軸Ｒ１ＪとＬ１軸Ｌ１Ｊとをαの角度をもって胴体２に設置すれば、作業領域近傍から特異点が発生する姿勢を遠ざけることができる。
また、本発明では、Ｒ１軸Ｒ１Ｊの延長線上にＲ２アクチュエータＲ２Ａが存在しないよう、Ｒ１フレームＲ１ＦをＬ字状に湾曲させて、その他端にＲ２アクチュエータＲ２Ａを保持するように構成しているので、Ｒ１軸Ｒ１Ｊの延長線上にＲ４軸Ｒ４ＪとＲ６軸Ｒ６Ｊが到達することが無くなるので、さらに特異点の発生を抑えることができる。左腕４も同様である。

本発明の実施例を示す双腕ロボットの上面図。従来技術の実施例を示す双腕ロボットの上面図。本発明の双腕ロボットにおけるアーム内部を示す断面図。本発明の双腕ロボットにおける特異点の姿勢を示す上面図。本発明の双腕ロボットの外観図（鳥瞰図）。本発明の双腕ロボットとコントローラとを示す外観図。本発明の双腕ロボットの各アームの動作範囲と作業領域を示す上面図。

符号の説明

１双腕ロボット
２胴体
３右腕（右アーム）
４左腕（左アーム）
５基台
６コントローラ
７中空穴
８ケーブル

Ｒ１ＪＲ１軸
Ｒ２ＪＲ２軸
Ｒ３ＪＲ３軸
Ｒ４ＪＲ４軸
Ｒ５ＪＲ５軸
Ｒ６ＪＲ６軸

Ｒ１ＦＲ１フレーム
Ｒ２ＦＲ２フレーム
Ｒ３ＦＲ３フレーム
Ｒ４ＦＲ４フレーム
Ｒ５ＦＲ５フレーム
Ｒ６Ｅ右腕エンドエフェクタ取付部

Ｒ１ＡＲ１アクチュエータ
Ｒ２ＡＲ２アクチュエータ
Ｒ３ＡＲ３アクチュエータ
Ｒ４ＡＲ４アクチュエータ
Ｒ５ＡＲ５アクチュエータ
Ｒ６ＡＲ６アクチュエータ

Ｌ１ＪＬ１軸
Ｌ２ＪＬ２軸
Ｌ３ＪＬ３軸
Ｌ４ＪＬ４軸
Ｌ５ＪＬ５軸
Ｌ６ＪＬ６軸

Ｌ１ＦＬ１フレーム
Ｌ２ＦＬ２フレーム
Ｌ３ＦＬ３フレーム
Ｌ４ＦＬ４フレーム
Ｌ５ＦＬ５フレーム
Ｌ６Ｅ左腕エンドエフェクタ取付部

Ｌ１ＡＬ１アクチュエータ
Ｌ２ＡＬ２アクチュエータ
Ｌ３ＡＬ３アクチュエータ
Ｌ４ＡＬ４アクチュエータ
Ｌ５ＡＬ５アクチュエータ
Ｌ６ＡＬ６アクチュエータ

Claims

モータと、該モータに接続される減速機とによって駆動される複数の回転軸を有するアームを、胴体の左右に2本備えた双腕ロボットにおいて、
前記モータと前記減速機は、一体となったアクチュエータとして構成され、
前記アクチュエータが前記複数の回転軸に一致するようそれぞれ配置され、
前記複数の回転軸のうち前記アームの各々を前記胴体の回転可能に支持する第１軸が、前記胴体の前面に延びるように設けられ、
前記アームの各々が、前記胴体に対して第１軸で回転可能に一端が支持される第１フレームと、前記第１フレームの他端で第２軸で回転可能に一端が支持される第２フレームと、前記第２フレームの他端で第３軸で回転可能に一端が支持される第３フレームと、前記第３フレームの他端で第４軸で回転可能に一端が支持される第４フレームと、前記第４フレームの他端で第５軸で回転可能に一端が支持される第５フレームと、前記第５フレームの他端で第６軸で回転可能に支持されるエンドエフェクタ取付部と、で構成され、
前記第２軸は前記第１軸と直交するよう設けられ、前記第３軸は前記第２軸と平行に設けられ、前記第４軸は前記第３軸と直交するよう設けられ、前記第５軸は前記第４軸と直交するよう設けられ、前記第６軸は前記第５軸と直交するよう設けられ、
前記胴体を上面から見たとき、前記第１軸はフロアと平行で、かつ胴体の左右にそれぞれ少なくとも１本のアームの先端側が互いに離間して前記アームの作業領域が特異点から遠ざかるように前記胴体の前面に対して所定の角度傾斜して設けられていることを特徴とする双腕ロボット。
前記第２軸を回転させる第２軸アクチュエータは、前記第４軸及び前記第６軸が、前記第１軸の仮想延長線上に到達することがないよう、略Ｌ字状に形成された前記第１フレームの他端にて前記第２フレームを回転可能に支持することを特徴とする請求項１記載の双腕ロボット。
前記アクチュエータの各々の回転軸に、該アクチュエータを貫通する中空穴を設けたことを特徴とする請求項１記載の双腕ロボット。
前記アクチュエータの各々の中空穴に、前記モータの動力ケーブルと信号ケーブルが挿入され、前記胴体の内部へと配線されていることを特徴とする請求項３記載の双腕ロボット。
前記アームのそれぞれの先端にエンドエフェクタを備え、該エンドエフェクタに接続される流体用の管、または動力ケーブル、または信号ケーブルのいずれか１つが、前記アクチュエータの中空穴に配線されていることを特徴とする請求項４記載の双腕ロボット。
前記胴体が、前記胴体を支持する基台に対して回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１記載の双腕ロボット。
前記基台が、前記基台を直線状に走行させる走行軸によって走行可能に構成されていることを特徴とする請求項６記載の双腕ロボット。
前記アクチュエータの各モータ容量は、前記胴体側のアクチュエータと同等の容量であるか、またはそれ以下の容量であることを特徴とする請求項１記載の双腕ロボット。