JP5190983B2

JP5190983B2 - ロボットシステム

Info

Publication number: JP5190983B2
Application number: JP2007305191A
Authority: JP
Inventors: 和宏埴谷
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: JP2009125892A

Description

本発明は、溶接、搬送、組立、塗装、検査等に係るロボットシステムに関し、特に、６軸多関節ロボット（以下、「６関節ロボット」という。）と７軸多関節ロボット（以下、「７関節ロボット」という。）を配置することによって、ロボットの設置密度を高めた、生産効率を向上することのできるロボットによるロボットシステムに関する。

図５は従来の７関節ロボットの構造を示す模式図である（例えば、特許文献１参照）。図において、４は固定ベースであり、第１のアーム体Ｃ１は関節軸Ｊ１を中心に回転し、第２のアーム体Ｃ２は関節軸Ｊ２を中心に回転し、第３のアーム体Ｃ３は関節軸Ｊ３を中心に回転し、第４のアーム体Ｃ４は関節軸Ｊ４を中心に回転し、第５のアーム体Ｃ５は関節軸Ｊ５を中心に回転し、第６のアーム体Ｃ６は関節軸Ｊ６を中心に回転し、第７のアーム体Ｃ７は関節軸Ｊ７を中心に回転する。
７関節ロボットは、Ｊ２及びＪ６を支点とし、Ｃ２及びＣ３、Ｃ４及びＣ５はＪ４が円弧を描く範囲で任意に姿勢をとることができる。従って、７関節ロボットは６関節と比較すると、周囲に障害物があり、それを回避しながら任意の姿勢をとることができるという利点がある。

一方、図６に示す自動車の溶接ラインにおいては、スポット溶接ロボット（６関節ロボット）６３により自動車６１のスポット溶接が行われている。自動車には構造上強度を確保するために多数のスポット溶接個所があり、生産上一定サイクルタイム毎に工程を分けて製造を行っている。そのため生産形態はライン構成が主に用いられ、スポット溶接ロボット６３はライン６２を挟んで対峙するように並べて配置されている（例えば、特許文献２参照）。
ここで、経済的な観点から、前記ラインは短いほどリードタイムが短く、かつ設置面積が削減できるため、各工程で多くのスポット溶接を行うことが求められる。
特開昭６０−２０８７６号公報（第１０頁、図１１（ｂ））特開２００３−１４５２７５号公報（第４−７頁、図１）

自動車をはじめとする生産設備においては、作業効率を上げるために６関節ロボットを多数配置する必要があるが、ある程度ロボットの数を増加させるとロボット同士の干渉が発生してしまう。そのため、ロボット設置台数に制約があった。
また、多くのスポット溶接を行うために６関節ロボットを多数工程内に投入すると、マニピュレータ同士の干渉を回避するため、隣接するマニピュレータの溶接作業が終了して退避した後に、隣接するマニピュレータが侵入して別の溶接作業を行うなどの制御を行うため、６関節ロボットの待ち時間が多く発生するようになり、サイクルタイム内での作業個所に限界があった。
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、６関節ロボットと併用して７関節ロボットを使用することで、ロボットの設置密度を高めた、生産効率の高いロボットシステム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。
本発明は、固定ベースに設けられて旋回する第１のアーム体と、前記第１のアーム体に設けられた第２のアーム体と、前記第２のアーム体先端に設けられ前記第２のアーム体の長手方向の軸周りに回転する第３のアーム体と、前記第３のアーム体に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第４のアーム体と、前記第４のアーム体先端に設けられた第５のアーム体と、前記第５のアーム体先端に設けられた第６のアーム体と、から少なくとも構成された７関節ロボットと、固定ベースに設けられて旋回する第１のアーム体と、前記第１のアーム体に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第２のアーム体と、前記第２のアーム体先端に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第３のアーム体と、前記第３のアーム体先端に設けられた手首部と、から少なくとも構成された６関節ロボットと、前記７関節ロボットの第２のアーム体、第３のアーム体、第４のアーム体および第５のアーム体を回転させ、前記７関節ロボットの第１のアーム体と第２のアーム体を接続する関節および前記７関節ロボットの第５のアーム体と第６のアーム体を接続する関節を支点として、前記７関節ロボットの第３のアーム体と前記第４のアーム体を接続する関節が円弧軌跡を描くことによって、前記６関節ロボットの第２のアーム体または第３のアーム体と前記７関節ロボットとの干渉を回避する手段と、を備え、前記７関節ロボットおよび前記６関節ロボットの配置は、ともにワークの方向を向いたときに左右方向に隣接する配置であり、前記７関節ロボットの第２および第３のアーム体の長手方向の合計の長さを、前記６関節ロボットの第２のアーム体の長手方向の長さよりも短くしたことを特徴とするものである。
なお、前記６関節ロボットおよび前記７関節ロボットは、スポット溶接ロボットであってもよい。
または、前記６関節ロボットおよび前記７関節ロボットは、アーク溶接ロボットであってもよい。

本発明によると、ロボット同士の旋回時の旋回部との干渉が無い位置関係で、７関節ロボットと安価かつ信頼性のより高い６関節ロボット設置することにより密着配置ができる。
また、スポット溶接装置やアーク溶接装置において７関節ロボットと安価かつ信頼性のより高い６関節ロボットの密着配置が可能になる。

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１は、本発明のスポット溶接に係るロボットシステムの斜視図である。図中、ＸＹＺの矢印は、直交座標系を表しており、Ｚ軸はロボットの設置面に垂直である。また、黒丸は各関節を表している。図１において、１は７関節ロボットであって、固定ベース４を介して設置面に固定されている。Ｃ１は第１のアーム体、Ｃ２は第２のアーム体、Ｃ３は第３のアーム体、Ｃ４は第４のアーム体、Ｃ５は第５のアーム体、Ｃ６は第６のアーム体である。Ｃ７は第７のアーム体（エンドエフェクタ）である。エンドエフェクタにはスポット溶接ガン３が取り付けられている。
第１のアーム体Ｃ１は関節軸Ｊ１を中心に旋回し、第２のアーム体Ｃ２は関節軸Ｊ２を中心に回転する。第３のアーム体Ｃ３関節軸Ｊ３を中心に回転する。第４のアーム体Ｃ４は関節軸Ｊ４を中心に回転して上下方向に揺動する。第５のアーム体Ｃ５は関節軸Ｊ５を中心に回転する。第６のアーム体Ｃ６は関節軸Ｊ６を中心に回転する。第７のアーム体Ｃ７（エンドエフェクタ）は関節軸Ｊ７を中心に回転する。そして、Ｊ１はＺ軸に平行であり、Ｊ２はＸ軸に平行であり、Ｊ３は第２のアーム体Ｃ２の長手方向の軸に平行であり、Ｊ４はＸ軸に平行であり、Ｊ５は第４のアーム体Ｃ４の長手方向の軸に平行であり、Ｊ６はＸ軸に平行であり、Ｊ７は第６のアーム体Ｃ６の長手方向の軸に平行である。
なお、７関節ロボットにおいて、アーム体Ｃ１全体を旋回部という。また、アーム体Ｃ２を第１下腕部、アーム体Ｃ３を第２下腕部、アーム体Ｃ４を上腕部という。また、関節アーム体Ｃ５、Ｃ６で構成される部分を手首部という。

２は６関節ロボットであって、固定ベース４に固定されている。Ｃ１は第１のアーム体であり、Ｃ２は第２のアーム体であり、Ｃ４は第３のアーム体であり、Ｃ５は第４のアーム体であり、Ｃ６は第５のアーム体であり、Ｃ７は第６のアーム体（エンドエフェクタ）である。なお、６関節ロボットであるため、７関節ロボットの第３のアーム体Ｃ３（あるいは第２のアーム体Ｃ２）に相当するアーム体は存在しない。また、エンドエフェクタにはスポット溶接ガン３が取り付けられている。
第１のアーム体Ｃ１は関節軸Ｊ１を中心に旋回し、第２のアーム体Ｃ２は関節軸Ｊ２を中心に回転する。第３のアーム体Ｃ４は関節軸Ｊ４を中心に回転して上下方向に揺動する。第４のアーム体Ｃ５は、第３のアーム体Ｃ４の長手方向の軸と平行な関節軸Ｊ５を中心に回転する。第５のアーム体Ｃ６は関節軸Ｊ６を中心に回転する。第６のアーム体Ｃ７は第５のアーム体Ｃ６の長手方向の軸と平行な関節軸Ｊ７を中心に回転する。そして、Ｊ１はＺ軸に平行であり、Ｊ２はＸ軸に平行であり、Ｊ４はＸ軸に平行であり、Ｊ５は第３のアーム体Ｃ４の長手方向の軸に平行であり、Ｊ６はＸ軸に平行であり、Ｊ７は第５のアーム体Ｃ６の長手方向の軸に平行である。
なお、６関節ロボットにおいて、アーム体Ｃ１全体を旋回部という。また、アーム体Ｃ２を下腕部、アーム体Ｃ４を上腕部という。また、アーム体Ｃ５、Ｃ６で構成される部分を手首部という。

６は溶接対象物であり、たとえば自動車のボディや、パーツ部品等のスポット溶接接合が施工される対象ワークである。
７関節ロボット１と６関節ロボット２は、それぞれ溶接対象物６の方向を向いた状態で左右方向に並べて設置されている。すなわち、７関節ロボット１と６関節ロボット２それぞれのＪ１軸回転中心点を結ぶ軸がＸ軸と略平行になるように、溶接対象物６の方向を向いた状態で左右方向に隣接して配置されている。

７は設置距離であって、７関節ロボット１と６関節ロボット２それぞれの関節軸Ｊ１の回転中心間の距離を指す。設置距離７は、同時に溶接作業を行う姿勢に対して、７関節ロボット１を６関節ロボットに置き換えた場合に互いのアーム体が干渉しないように設置する設置距離よりも短い距離である。つまり、設置距離７、すなわち、前記６関節ロボットの旋回中心と前記７関節ロボットの旋回中心との距離が、６関節ロボットと７関節ロボットの旋回部同士が干渉しないための距離よりも長く、かつ、前記６関節ロボットの旋回半径と前記７関節ロボットの旋回半径を合算した寸法よりも短い距離となる。

次に、本発明のロボットシステムの動作及び利点について、図２から図４に基づいて説明する。
図２および図３は、「６関節」ロボットを２台備えたロボットシステムを示している。各図の（ａ）と（ｂ）は、それぞれ斜視図と模式図である。ここで、１は７関節ロボットであるが、関節軸Ｊ３を固定することによって６関節ロボットと等価なものとして考えることができる。つまり、説明の便宜上、図２および図３においては、７関節ロボット１のＪ３軸を用いずに６関節ロボットとして動作させて、６関節ロボットが２台設けられているものと考える。
従って、図２は、２台の６関節ロボットが、ある箇所を溶接するために必要な姿勢をとった状態を示している。図において、マニピュレータ同士の干渉は発生していない。
ここで、設置距離７について検討すると、６関節ロボット同士を密着配置する場合には、前述の距離に加え、上腕及び下腕の干渉を回避する距離がさらに必要となる。つまり、２台の６関節ロボットの間の設置距離は、一方を６関節ロボット、他方を７関節ロボットとしたときの設置距離よりも長くなってしまう。

図３は、６関節ロボットが、それぞれ図２とは別の溶接箇所Ａ、Ｂを溶接するために必要な姿勢をとった状態を示している。
前記のように生産設備においては、経済的な観点から、各工程のサイクルタイム内で、多くのスポット溶接を行うことが求められる。そのため、マニピュレータができるだけ休まず作業することが重要である。しかし、図３は、アーム同士の干渉部分５が存在することを示しており、隣接するマニピュレータと干渉するため同時には溶接を行えない個所が存在することが分かる。
設置距離７は図２と同一であるため溶接を同時に実施するためには、設置距離７をより大きくする必要があるが、そうすると工程内に設置できるマニピュレータの数を削減する必要が発生し、リードタイムやライン長の増大を招いてしまうといえる。

図４（ａ）と図４（ｂ）は、本発明に係る、６関節ロボットと７関節ロボットを備えたロボットシステムを示す斜視図と模式図である。単純化のためＪ１とＪ２のＹ方向のオフセットを無くした模式図としている。７関節ロボットと６関節ロボットのスポット溶接打点は、図３に示した箇所と同一のＡ、Ｂである。また、設置距離７も同一である。図３とは、７関節ロボット１が、その姿勢を姿勢０から姿勢１に変更している点のみが異なっている。
図は、７関節ロボット１がその姿勢を姿勢０から姿勢１へと変更することによって、設置距離７が同一にもかかわらず、６関節ロボット２との干渉部分５が回避できることを示している。つまり、従来の６関節ロボットのみの場合に比べて、設置密度を高めることができる。
具体的には、第２のアーム体、第３のアーム体、第４のアーム体、第５のアーム体を回転させ、Ｊ２を含むＸＹ平面とＪ１の交点及びＪ６を支点として、Ｊ４が略円弧軌跡を描くことによって、その姿勢を姿勢０から姿勢１へと変更している。

なお、７関節ロボットが姿勢２をとった状態では、６関節ロボット２との距離が大きく確保できるので、７関節ロボット１と６関節ロボット２の設置距離７を更に狭めて設置できる。そのため、さらに配置密度が高く、コストパフォーマンスが高い溶接システムを構築できる。

ここでは、図３において、７関節ロボットのＪ３の固定を解除し、本来の７関節ロボットとして動作させた場合について説明する。干渉部分５の発生は、マニピュレータのアーム体Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４またはＣ５の長さに影響される。例えば、７関節ロボットのアーム体Ｃ２、Ｃ３が短い場合、干渉部分５は当然に回避される。本実施例では、７関節ロボット１のアーム体Ｃ２、Ｃ３を合計した長さを、６関節ロボット２のアーム体Ｃ２の長さよりも短くしている。干渉部分５をより回避し易いようするためである。また、反対に７関節ロボット１のアーム体Ｃ２、Ｃ３を合計した長さを、６関節ロボット２のアーム体Ｃ２の長さよりも長くしても干渉回避できることは明らかである。

以上、本発明によれば、コストが安くかつ信頼性のより高い６関節ロボット２と７関節ロボット１を隣接させて配置密度を高めることにより、コストと信頼性のバランスを取りながら溶接個所を増やすことができる。
なお、本発明は、スポット溶接に限らず、アーク溶接、搬送、組立、塗装、検査その他の任意のロボットシステムに適用することができる。

本発明の第１実施例を示す溶接システムの斜視図６関節ロボットを２台備えたロボットシステムを示す斜視図（１）６関節ロボットを２台備えたロボットシステムを示す斜視図（２）本発明の第１、第２実施例を示す斜視図７関節ロボットの構造を示す模式図自動車の溶接ラインを示す平面図

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）
Ｊ１関節軸
Ｊ２関節軸
Ｊ３関節軸
Ｊ４関節軸
Ｊ５関節軸
Ｊ６関節軸
Ｊ７関節軸
１７軸多関節ロボット
２６軸多関節ロボット
３スポットガン
４固定ベース
５干渉部分
６溶接対象物
７設置距離

Claims

固定ベースに設けられて旋回する第１のアーム体と、前記第１のアーム体に設けられた第２のアーム体と、前記第２のアーム体先端に設けられ前記第２のアーム体の長手方向の軸周りに回転する第３のアーム体と、前記第３のアーム体に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第４のアーム体と、前記第４のアーム体先端に設けられた第５のアーム体と、前記第５のアーム体先端に設けられた第６のアーム体と、から少なくとも構成された７関節ロボットと、
固定ベースに設けられて旋回する第１のアーム体と、前記第１のアーム体に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第２のアーム体と、前記第２のアーム体先端に設けられ前記第１のアーム体の旋回軸に直交する軸周りに回転する第３のアーム体と、前記第３のアーム体先端に設けられた手首部と、から少なくとも構成された６関節ロボットと、
前記７関節ロボットの第２のアーム体、第３のアーム体、第４のアーム体および第５のアーム体を回転させ、前記７関節ロボットの第１のアーム体と第２のアーム体を接続する関節および前記７関節ロボットの第５のアーム体と第６のアーム体を接続する関節を支点として、前記７関節ロボットの第３のアーム体と前記第４のアーム体を接続する関節が円弧軌跡を描くことによって、前記６関節ロボットの第２のアーム体または第３のアーム体と前記７関節ロボットとの干渉を回避する手段と、を備え、
前記７関節ロボットおよび前記６関節ロボットの配置は、ともにワークの方向を向いたときに左右方向に隣接する配置であり、
前記７関節ロボットの第２および第３のアーム体の長手方向の合計の長さを、前記６関節ロボットの第２のアーム体の長手方向の長さよりも短くしたことを特徴とするロボットシステム。