JP2008213060A - 多関節ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】自重及びワーク質量による撓みを減少させ、アームの全長が長く設定されていても、ワークの長距離の搬送を精度良く行う。
【解決手段】多関節ロボット１０は、水平に回動する第１アーム５０と、第１アーム５０の回動中心に対して同軸の扇形の支持板１８と、第１アーム５０と平行なサブアーム５８と、第１アーム５０及びサブアーム５８の各先端に接続された連結部材５２とを有する。支持板１８には円弧レール４０が設けられている。第１アーム５０、サブアーム５８及び連結部材５２は平行リンクを構成する。円弧レール４０は、第１アーム５０の上面に設けられた係合部１００と係合する。連結部材５２には第２アーム５４が回動自在に設けられ、該第２アーム５４の先端には第３アーム５６が回動自在に設けられいている。第３アーム５６の先端には、ワークＷを吸着するエンドエフェクタ５９が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のアームが回動する関節を介して接続された多関節ロボットに関し、特に水平の動作範囲が広い多関節ロボットに関する。

車両製造工場においては、ワークが複数のステーション又は加工機の間を搬送されて順次加工が行われることが多い。このような搬送は、生産性を向上させる観点から迅速に行われることが望ましい。

ワークを搬送させる手段としては、例えば、加工機間でワークを搬送する往復自在な台車と、該台車と加工機の間でワークの授受を行うローダ及びアンローダとを設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような搬送方法では、ワークを長距離移動させることができる。

また、多関節ロボットによってワークを搬送する方法についても提案がなされている（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５参照）。多関節ロボットによる搬送では、ワークの搬出、移動及び搬入を１台の多関節ロボットで行うことができ、簡便な搬送が可能となる。

特公平４−９６１１号公報 特許２７８５５９７号公報 特開２００６−１２３００９号公報 特許２７２６９７７号公報 特開平７−３０８８７６号公報

上記の特許文献１のように、台車、ローダ及びアンローダを用いてワークを搬送する場合には、ローダから台車及び台車からアンローダへのワークの受け渡し作業が必要となり、ワークを迅速に搬送することができない。また、このような受け渡しの動作の同期をとる必要があり、制御手順が煩雑となる。さらに、台車が移動をする移動経路である搬送枠は加工機間の距離に応じて設定された固定的なものであるから、加工機のレイアウトが変更される場合には適用できない。

さらにまた、台車、ローダ及びアンローダの３台の装置が必要となることから、大きい設置スペースが必要となるとともに、設備費用が高騰する。

特許文献２に記載の多関節ロボットでは、水平移動機構がないことから、仮にワークを水平に搬送させても、アームの姿勢としてはいわゆるエルボアップとなって鉛直方向のスペースが広くなければならない。

特許文献３〜５に記載の多関節ロボットでは、水平に回動する関節を有しているが、鉛直方向に回動する関節も含み、結局特許文献２記載の多関節ロボットと同様にワーク及びアームが無駄に鉛直方向に移動をすることになり得る。

また、加工機間の搬送距離が長い場合には、アーム長さも相当に長く設定しなければならないが、過度に長くすると自重及びワーク質量により撓むことになり精度よく搬送することができない。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ワークの長距離の移動が可能であって、しかも自重及びワーク質量による撓みが少なく、精度良く搬送をすることができる多関節ロボットを提供することを目的とする。

本発明に係る多関節ロボットは、複数のアームが回動する関節を介して接続された多関節ロボットにおいて、水平に回動する水平アームと、前記水平アームの回動中心に対して同軸の円弧形状で、該水平アームの一部をスライド自在に支持する支持部材とを有することを特徴とする。

このように、円弧形状の支持部材により水平アームを支持することにより、自重及びワーク質量による撓みが少なくなり、アームの全長が長く設定されていても、ワークを精度良く且つ長距離搬送をすることができる。

前記支持部材は、前記水平アームの一部と係合するレールであってもよい。このようなレールによれば、水平アームをより確実に支持するとともにガイド作用を奏し、水平アームをスムーズに回動することができる。

前記支持部材は、前記水平アームの中心よりも先端側を支持することにより、一層確実に撓みを減少させることができる。

前記支持部材が前記水平アームを支持する角度範囲は、９０°〜１８０°の範囲のいずれかに設定されていると相当に広い動作範囲が得られる。

昇降装置を備えていると、加工機に対するワークの授受や、所定の障害物を避ける動作を簡便に行うことができる。また、アームがいわゆるエルボアップのような無駄に鉛直方向突出する姿勢にはならず、スペースを有効利用することができる。

前記昇降装置には、自重補償手段が設けられていると、昇降に要する動力が小さくなり、しかもブレーキ装置を省略することも可能となる。

前記昇降装置は並列して２台設けられ、昇降量を変化させることによりチルト動作が可能に構成されていてもよい。

最先端アームは水平回動及び（又は）捻り動作可能に構成され、前記最先端アーム以外は水平回動可能に構成されていてもよい。このような構成によれば、各アームの中心軸は鉛直方向に変位することがなく、スペースを有効に利用することができる。前記最先端アームは、捻れ回動自在に構成されていると、ワークの形状及び傾斜に合わせてワークを適切に保持することができる。

前記最先端アームには、ワークを吸着するバキューム手段が設けられていると、ワークを簡便に保持することができる。

前記最先端アームは長手方向に延在する循環体を有し、該循環体を介して先端のエンドエフェクタを回動自在に構成されていてもよい。このような循環体によれば、アクチュエータを最先端アームにおける基端側に配置して慣性モーメントを小さくして動作の安定を図ることができる。また、モーメントも小さくなり、アームの撓みを減少させることができる。ここでいう循環体とは、１周以上の循環をするものに限らず、アクチュエータの作用下に所定量だけ往復するものを含む。

前記水平アームと平行なサブアームと、前記水平アーム及び前記サブアームの各先端に接続された連結部材とを有し、前記水平アーム、前記サブアーム及び前記連結部材は平行リンクを構成していてもよい。このような平行リンクによれば、自重及びワーク質量による撓みを一層減少させることができる。

前記水平アーム及び前記サブアームには、それぞれ回動駆動源が設けられていてもよい。これにより１台当たりの回動駆動源を小さくすることができ、レイアウトの自由度が大きくなる。

前記水平アームの次に接続される第２アームは、前記連結部材上で、前記水平アームの先端回動部及び前記サブアームの先端回動部よりも先端側で接続されていてもよい。これにより、第２アームを駆動するアクチュエータを水平アームの先端回動部及びサブアームの先端回動部の影響を受けずに自由なレイアウトで配置可能である。

この場合、前記第２アームは、前記連結部材上で、前記水平アームの先端回動部及び前記サブアームの先端回動部を結ぶ線に対し、一方の先端回動部で直交する線上で接続されていてもよい。これにより、平行リンクの幅を有効に利用して自重及びワーク質量による撓みを一層軽減することができる。

前記水平アームの先に接続されるアームは、基端側に隣接するアームの延出方向は非動作領域に設定され、該延出方向の逆方向は動作領域に設定されていてもよい。このような構成によれば、各アームを折り畳む姿勢にすることができ、狭いスペースでワークを搬送させることができる。

本発明に係る多関節ロボットによれば、円弧形状の支持部材により水平アームを支持することにより、自重及びワーク質量による撓みが少なくなり、アームの全長が長く設定されていても、ワークを精度良く長距離搬送をすることができる。

以下、本発明に係る多関節ロボットについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１２を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、回転動作に伴う動的な回転力を慣性モーメントとし、自重等によって下方に向かって発生する静的な回転力を静的モーメント又は単にモーメントと呼んで区別する。

図１に示すように、本実施の形態に係る多関節ロボット１０は、一方の加工機１２からワークＷを搬出し、他方の加工機１４にワークを搬入する搬送動作を行うものである。

多関節ロボット１０は、並列に設けられた一対の昇降装置１６ａ及び１６ｂ、該昇降装置１６ａ及び１６ｂによって昇降する支持板（支持部材）１８と、該支持板１８に接続されたアーム体２０と、先端に設けられたエンドエフェクタ２２とを有する。多関節ロボット１０は、図示しないコントローラの作用下に動作を行い、昇降装置１６ａ、１６ｂの昇降量及びアーム体２０の姿勢を制御してワークの搬送を行う。

なお、以下の説明では、支持板１８の中心を中心Ｏとし、前後方向をＸ方向、その距離及び位置をＸ座標とも呼ぶ。また、横方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向とも呼ぶ。

図２〜図４に示すように、昇降装置１６ａは、昇降モータ２３と、該昇降モータ２３によって回転するボールねじ２７と、該ボールねじ２７に螺合して昇降するナット体２４と、該ナット体２４を上下方向に案内する昇降レール２５と、ナット体２４を上方へ付勢するシリンダ（自重補償手段）２６とを有する。１つのシリンダ２６は、アーム体２０及び支持板１８の自重の半分を補償するように力が設定されている。

昇降装置１６ｂは昇降装置１６ａと同構成であり、それぞれシリンダ２６を有することから、アーム体２０及び支持板１８の全自重が補償され、昇降に要する動力が小さくなり、しかもブレーキ装置を省略することが可能となる。

昇降装置１６ａは、下端の支軸３０ａ及び横レール３２を介して支持板１８と接続されている。一方、昇降装置１６ｂは、下端の支軸３０ｂのみを介して支持板１８と接続されている。このような構成によれば、２台の昇降装置１６ａと１６ｂの昇降量を変化させることにより、昇降装置１６ａの下端は横レール３２に沿って相対的に横方向に移動し、支持板１８及びアーム体２０は支軸３０ｂを中心としたチルト動作（矢印Ａ参照）が可能となる。

支持板１８は、平面視で略１８０°の扇形であって、上下に並列した２枚の板３６ａ、３６ｂと、これらの板３６ａ及び３６ｂを接続する複数の補強板３８と、下面に設けられた円弧レール４０と、左右両端に設けられたポスト４２（図４参照）で固定されたオイルパン４４と、軽量化のための複数の孔４６とを有する。

オイルパン４４は、上方に開口した断面凹形状の円弧板であり、後述する係合部１００からグリス等が下に落ちることを防止するためのものである。

円弧レール４０は、後述する第１アーム５０の係合部１００（図６参照）を支持するためのものであって、支持板１８の円弧外周部近傍に設けられている。円弧レール４０は、第１アーム５０の動作範囲を広く設定するために広角度であることが望ましく、例えば中心Ｏを基準として９０°以上に設定されているとよい。

また、ワークＷを横方向（Ｙ方向）に移動させることを考慮すると、通常は１８０°あれば足りる。多関節ロボット１０では、円弧レール４０及びオイルパン４４は中心Ｏを基準として略１８０°に設定されている。

また、中心Ｏを基準とした円弧レール４０の半径Ｒ１は、第１アーム５０の軸間長さＲ２よりはやや短く設定されている。半径Ｒ１は、長さＲ２に対して１／２以上である（つまり、中心よりも先端側を支持する）ことが好ましく、できるだけ長さＲ２に近いことがより好ましい。

図３に示すように、昇降装置１６ａ及び１６ｂは、側面視で中心Ｏよりも前方（矢印Ｘ１側）で支持板１８を支持している。図３からも明らかなように、アーム体２０の重心Ｇは中心Ｏよりも前方に位置しており、昇降装置１６ａ及び１６ｂの支持位置との水平距離Ｌ０は相当に小さい。したがって、アーム体２０の質量Ｄ０によって発生するモーメントＭ０（＝Ｌ０×Ｄ０）は小さく、昇降装置１６ａ及び１６ｂに過大な力が加わることを防止できる。なお、ワークＷを搬送する際にも該ワークＷをあまり前方に移動させず、座標Ｘを小さく保ったまま移動させることにより重心Ｇの座標Ｘも小さく保たれ、昇降装置１６ａ及び１６ｂに過大な力が加わることを防止できる。

アーム体２０は、複数のアームが回動する関節を介して接続された多関節ロボットであって、基端側から先端側に向かって順に第１アーム（水平アーム）５０、連結部材５２、第２アーム５４及び第３アーム５６を有する。また、第１アーム５０に対して平行にサブアーム５８が設けられており、第１アーム５０及びサブアーム５８の各先端は連結部材５２に対して回動自在に接続されている。

図２に示すように、第１アーム５０の機械的な回転範囲θ１は、矢印Ｘ１方向を中心として１７０°である。第２アーム５４の機械的な回転範囲θ２は、連結部材５２と第２アーム５４との接続部である軸５２ａから第１アーム５０の先端回動部５０ａに向かう方向を中心として３５０°である。第３アーム５６の機械的な回転範囲θ３は、第２アーム５４との接続部である軸５４ａから軸５２ａに向かう方向を中心として３５０°である。

このような回転動作を行う軸部の回動範囲は、機構上３６０°以上にすることは困難であり、非動作領域が生じる。一般の多関節ロボットにおいては、広い可動範囲を得るために各アームが先端方向に延出するように、非動作領域を基端側に設定する。

一方、多関節ロボット１０では、第１アーム５０の先に接続される第２アーム５４及び第３アーム５６は、基端側に隣接するアームの延出方向は非動作領域に設定され、該延出方向の逆方向は動作領域に設定されている。つまり、一般の多関節ロボットとは逆に非動作領域を先端側に設定し、基端側は動作領域に設定している。

このような構成によれば、後述するように、多関節ロボット１０は各アームを折り畳む姿勢にすることができ（図８参照）、狭いスペースでワークを搬送させることができる。

なお、以下の説明では、便宜上、第２アーム５４及び第３アーム５６についても先端方向に向かって伸ばしきることができるように図示し、又はモデル化して説明する。

第１アーム５０、連結部材５２、第２アーム５４、第３アーム５６及びサブアーム５８の材質としては、例えば、アルミニウム（合金を含む）、ステンレススチール又は鋼材等を用いるとよい。第１アーム５０、連結部材５２、第２アーム５４、第３アーム５６及びサブアーム５８の構造としては、例えば、ボックス構造、ブロック構造、又は鋳造による成型により構成することができる。

第１アーム５０とサブアーム５８は同形状で、軸間長さＲ１が等しい。したがって、第１アーム５０、サブアーム５８及び連結部材５２は平行リンクを構成する。第３アーム５６の先端部には、ワークＷを吸着するためのエンドエフェクタ５９が装着されている。

第１アーム５０は、基端部が支持板１８の中心Ｏにおいて軸支されるとともにモータ（回動駆動源）６０ａにより駆動される。サブアーム５８は、基端部が支持板１８の平面視（図２参照）で左側端部において軸支されるとともにモータ（回動駆動源）６０ｂにより駆動される。このように平行リンクを２台のモータ６０ａ、６０ｂで駆動することにより、１台当たりのモータ６０ａ、６０ｂを小さくすることができ、レイアウトの自由度が大きくなる。モータ６０ａ、６０ｂ及び後述する各モータには、ギア等の減速手段が設けられていてもよい。

第１アーム５０及びサブアーム５８は、支持板１８の下方に設けられ、モータ６０ａ及び６０ｂは、支持板１８から上方に突出して設けられている。

連結部材５２は略Ｌ字形状であり、Ｌ字の短辺の端部が第１アーム５０の先端に対して回動自在に接続されており、Ｌ字の長辺の端部がサブアーム５８の先端に対して回動自在に接続されている。

第２アーム５４は、基端部が連結部材５２におけるＬ字形状の頂部に軸支されるとともにモータ６２により駆動される。第２アーム５４は連結部材５２の下方に設けられ、モータ６２は連結部材５２から上方に突出している。

このように、第２アーム５４は、連結部材５２上で、第１アーム５０の先端回動部及びサブアーム５８の先端回動部よりも先端側で接続されている。これにより、第２アーム５４を駆動するモータ６２を先端回動部５０ａ及び先端回動部５８ａの影響を受けずに自由なレイアウトで配置可能である。このような構成により、多関節ロボット１０ではモータ６２を連結部材５２の上方に配置可能となり、第３アーム５６に対する干渉を防止できる。

また、第２アーム５４は、連結部材５２上で、第１アーム５０の先端回動部５０ａ又はサブアーム５８の先端回動部５８ａを基準として、両先端回動部を結ぶ線に対する直交線Ｌｐ上（つまり、Ｌ字の短辺上）で接続されている。これにより、平行リンクの幅Ｅを有効に利用して自重及びワークＷの全質量Ｈ（図１０Ａ参照）による撓みを軽減することができる。

第１アーム５０，第２アーム５４及び連結部材５２は、それぞれ内部に補強板を有するボックス構造であり、軽量且つ高強度である。

第３アーム５６は、短い基端部５６ａと該基端部５６ａから水平方向に延在する延在部５６ｂとを有する。基端部５６ａは、第２アーム５４の先端部に軸支されるとともにモータ６４により駆動される。基端部５６ａは第２アーム５４の下方に設けられ、モータ６４は、第２アーム５４から上方に突出して設けられている。

モータ６４によって駆動されるのは、第３アーム５４及び軽量なエンドエフェクタ５９だけであることから、該モータ６４は小型のもので足り、第１アーム５０、サブアーム５８及び連結部材５２の下面に対して干渉することがない。

延在部５６ｂは、基端部５６ａに対して回動自在に設けられるとともに、モータ６６により捻り回転自在に構成されている。延在部５６ｂは、基端部５６ａの側面から延在するように構成されており、モータ６６は基端部５６ａにおける延在部５６ｂの装着部に対して逆側に設けられ、延在部５６ｂと同軸上に設けられている。

なお、図３から明らかなように第１アーム５０、第２アーム５４、連結部材５２及びサブアーム５８は水平面に沿って回動又は移動をすることになる。最先端の第３アーム５６だけは、モータ６６によって捻り回動を伴う。

すなわち、アーム体２０では、複数の関節のうち、最先端の関節は水平回動及び捻り動作可能に構成され、最先端以外の関節は水平回動可能に構成されていている。このような構成によれば、各アーム５０、５４、５６、連結部材５２及びサブアーム５８の中心軸は鉛直方向に変位することがないことから、例えば上方の他の機器６７に干渉することがなく、スペースを有効に利用することができる。

図４及び図５に示すように、第３アーム５６は、先端部にエンドエフェクタ５９が回動自在に接続される軸部７０と、該エンドエフェクタ５９を駆動するモータ７２と、モータ７２の回転を軸部７０に伝達するチェーン（循環体）７４と、空圧機器７６とを有する。モータ７２は延在部５６ｂの基端部近傍の上面に設けられている。エンドエフェクタ５９は軽量であることからモータ７２は小型のもので足り、第２アーム５４の下面に対して干渉することがない。

モータ７２の回転軸に設けられた駆動スプロケット７８は、チェーン７４に噛合する。チェーン７４の先端側は従動スプロケット８０に噛合し、該従動スプロケット８０が軸部７０を介してエンドエフェクタ５９を回動させる。チェーン７４は、複数のテンショナ８２によってテンションが調整されている。

このようなチェーン７４を用いた駆動によれば、モータ７２を第３アーム５６における基端側に配置して慣性モーメントを小さくして動作の安定を図ることができる。また、静的モーメントも小さくなり、各アームの撓みを減少させることができる。

延在部５６ｂは、チェーン７４を収納する薄型のボックス構造であり、軽量且つ高強度である。空圧機器７６は、モータ７２の近傍に設けられている。

エンドエフェクタ５９は、広い面積のワークＷを吸着することができるように、複数のパイプを格子状に接続して構成されており、下面に複数（例えば８つ）のバキューム体８４が設けられている。バキューム体８４は、それぞれ空圧機器７６によって個別に制御される。つまり、ワークＷが小さいときには中央部のバキューム体８４だけを吸着させ、ワークＷが広いときには全てのバキューム体８４を吸着させればよい。各バキューム体８４は、空圧機器７６を介して図示しない吸気手段（真空ポンプやエジェクタ等）に接続されている。エンドエフェクタ５９はワークＷの形状に応じて異なる型式のものに交換可能である。

次に、支持板１８が第１アーム５０を支持する構造について図６を参照しながら説明する。

第１アーム５０の上面には、支持板１８によって支持される係合部１００が設けられている。係合部１００は、第１アーム５０の上面に設けられた２つのブロック１０２と、各ブロック１０２の上面に固定された板１０４と、該板１０４の上面に設けられた２つのガイド１０６とを有する。板１０４の中央には軽量化のための孔が設けられている。各ガイド１０６は、内部に循環経路を形成するリテーナが設けられており、該リテーナに多数のボールが直列に配列されている。これらのボールがリテーナに沿って移動をすることにより、ガイド１０６は円弧レール４０に対して滑らかにスライドすることができる。

ガイド１０６の側面には、グリスニップル１０７が設けられており、摺動面及び内部のボールに対してグリスを充填することができ、潤滑、防錆等の作用を奏する。

２つのガイド１０６は並列して設けられており、それぞれ円弧レール４０に係合し、滑らかにスライド可能である。ガイド１０６が円弧レール４０に係合及びスライドすることにより第１アーム５０は滑らかに回動することができる。また、円弧レール４０は両側面に凹部４０ａを有し、ガイド１０６は該凹部４０ａに係合する凸部１０６ａを有している。凹部４０ａと凸部１０６ａが係合することにより、第１アーム５０及び係合部１００は支持板１８によって懸架されて支持されることになる。

第１アーム５０を支持する形式は、懸架方式に限らず、下から支持する方式等でもよい。

２つのブロック１０２の間で、第１アーム５０と板１０４との間には貫通隙間１０８が形成されている。該貫通隙間１０８にはオイルパン４４が挿通している。第１アーム５０の左右の側面で貫通隙間１０８の近傍には、オイルパン４４を下から支えるローラ体１１０が設けられている。ローラ体１１０の向きは、オイルパン４４の相対的な動作方向に合わせて設定されている。２つのローラ体１１０のうち一方は図６では隠れているが、左右対称形状なので図示を省略する。

次に、このように構成される多関節ロボット１０がワークＷを加工機１２から加工機１４に搬送する手順について説明する。

以下の説明では、加工機１２が左側、加工機１４が右側で、加工機１２と加工機１４との距離は多関節ロボット１０による最大搬送可能距離と略等しい程度に離間しており、支持板１８の中心Ｏはこれらの加工機１２と加工機１４との中間点に設定されているものとする。

先ず、図７に示すように、加工機１２におけるワークＷの上方にエンドエフェクタ５９が配置されるようにアーム体２０を移動させる。つまり、係合部１００が円弧レール４０の左端近傍部に達するまで第１アーム５０及びサブアーム５８を時計方向に回動させるとともに、第２アーム５４及び第３アーム５６が左方向に延在するように配置させる。また、エンドエフェクタ５９はワークＷの形状及び傾斜に合うように回動させる。つまり、ワークＷの形状及び傾斜に合わせて、モータ７２の作用下に第３アーム５６を捻り、必要に応じては、昇降装置１６ａと昇降装置１６ｂの高さを変えてチルト動作（図４の矢印Ｔ参照）をさせてもよい。

次に、昇降装置１６ａ及び１６ｂを同期して動作させ、支持板１８及びアーム体２０を下降させ、エンドエフェクタ５９をワークＷの上面に当接させ、又は接近させる。

次いで、空圧機器７６の作用下に複数のバキューム体８４のうち一部又は全部を吸引駆動させ、ワークＷを吸着させる。この後、昇降装置１６ａ及び１６ｂを同期して動作させ支持板１８及びアーム体２０を上昇させ、ワークＷを加工機１２から搬出する。

図８に示すように、ワークＷを加工機１２から加工機１４に搬送する途中の状態においては、アーム体２０の各アームを協調動作させ、ワークＷが加工機１２から加工機１４へ達する略最短距離を通るようにする。つまり、第１アーム５０及びサブアーム５８を反時計方向に回動させるとともに、第２アーム５４及び第３アーム５６を適度に屈曲させ、後方に引き込むように動作させるとよい。

またアーム体２０の動作に合わせてエンドエフェクタ５９を駆動し、ワークＷの姿勢が略一定に保たれるように制御をする。

一方、破線で示すように、第２アーム５４及び第３アーム５６の双方を前方に向かって延在させると、ワークＷの姿勢を一定に保持しても該ワークＷは円弧状に移動をすることから慣性モーメントが発生することになり安定性が損なわれる。また、ワークＷが所定の搬送制限ライン１５０を超えて前方に突き出ることになり、広いスペースが必要になる。さらに、第２アーム５４、第３アーム５６及びワークＷは、第１アーム５０、サブアーム５８及び支持板１８から見て相当前方に突き出ることになるので、大きな慣性モーメント及び静的モーメントが発生し、第１アーム５０、サブアーム５８及び支持板１８に撓みが生じやすい。

他方、第２アーム５４及び第３アーム５６は、仮想線で示すように前方に突き出すようにしてもワークＷの姿勢及び動作経路を引き込み動作時と同じに保つことができ、搬送制限ライン１５０を超えない姿勢をとることも可能である。しかしながら、この場合も、第２アーム５４及び第３アーム５６は、第１アーム５０及びサブアーム５８から見て前方に突き出ることになるので、ある程度の動的モーメント及び静的モーメントが発生し、第１アーム５０、サブアーム５８及び支持板１８に撓みが生じやすい。

これに対して、アーム体２０を折り畳みの姿勢にして、実線で示すように引き込み動作を行い、ワークＷが前方へ突き出すことのないように移動をさせることにより、前方部分のスペースを有効に利用することができるとともに、第１アーム５０、サブアーム５８及び支持板１８に加わる慣性モーメント及び静的モーメントを低減することができる。

また、第２アーム５４及び第３アーム５６を折り畳み、後方に引き込むように動作させることにより、ワークＷを直線状に搬送することが可能となってワークＷの円弧状の回転が防止され、慣性モーメントが発生しにくい。また、第２アーム５４及び第３アーム５６についても円弧状の回転が防止され、慣性モーメントが発生しにくい。

さらに、ワークＷの姿勢を保持したまま搬送させることにより、ワークＷの自転的な回転が防止され、慣性モーメントの発生を一層防止することができ、安定した搬送が可能になる。

さらにまた、第２アーム５４及び第３アーム５６を折り畳み、後方に引き込むように動作させることにより、前方のスペースを有効に利用できるとともに、前方に対する突き出し量がほとんどないことから第１アーム５０、サブアーム５８及び支持板１８に加わる慣性モーメント及び静的モーメントが小さく、歪みを低減することができる。

なお、この搬送時には、アーム体２０、エンドエフェクタ５９及びワークＷは、水平方向に移動をするだけであり、鉛直方向の動作は基本的には発生しない。したがって、アーム体２０、エンドエフェクタ５９及びワークＷが移動をするのに要する所定高さの範囲以外はフリースペースであり、スペースの有効利用が可能である。

ワークＷの搬送中、連結部材５２は第１アーム５０及びサブアーム５８とともに平行リンクを構成していることから、機構的に姿勢が一定に維持され、制御が容易である。

図９に示すように、ワークＷを加工機１４の上方にワークＷが配置されるまでアーム体２０を搬送を継続する。つまり、係合部１００が円弧レール４０の右端近傍部に達するまで第１アーム５０及びサブアーム５８を半時計方向に回動させるとともに、第２アーム５４及び第３アーム５６が右方向に延在するように配置させる。また、エンドエフェクタ５９はワークＷの向きが加工機１４に対する載置向きに合うように回動させる。また、加工機１４の載置面の傾斜に応じて、モータ７２の作用下に第３アーム５６を捻り、必要に応じては、昇降装置１６ａと昇降装置１６ｂの高さを変えてチルト動作（図４の矢印Ｔ参照）をさせてもよい。

この後、昇降装置１６ａ及び１６ｂを同期して動作させ支持板１８及びアーム体２０を下降させ、バキューム体８４の吸引駆動を停止してワークＷを加工機１４に載置することにより搬入を終了する。搬入が終了した後、昇降装置１６ａ及び１６ｂの作用下にアーム体２０を適度に上昇させ、該アーム体２０を所定の待機姿勢となるように移動させる。

ところで、図７及び図８に示す状態では、第２アーム５４及び第３アーム５６が第１アーム５０、サブアーム５８及び支持板１８から相当に突出しており、一見すると大きなモーメントが発生して歪みが生じるようにも思われよう。しかしながら、多関節ロボット１０では、支持板１８による第１アーム５０の支持構造及びサブアーム５８と連結部材５２を含めた平行リンク構造によりモーメント及び歪みの発生を効果的に防止することができるのであり、以下その理由について説明する。

図１０Ａは、図１０Ｂ〜図１０Ｄとの対比用に、加工機１２からワークＷを搬出する状態を模式化したものである。図１０Ａでは、第１アーム５０が正確に左方向に延在しているものとする。以下の説明では、第１アーム５０及びサブアーム５８と連結部材５２との接続関節をＰ１及びＰ２とし、係合部１００の位置をＰ３とする。連結部材５２と第２アーム５４との接続関節をＰ４、第２アーム５４と第３アーム５６との接続関節をＰ５、第３アーム５６の先端の軸部７０をＰ６、サブアーム５８の回動中心をＰ７とする。第２アーム５４、第３アーム５６、エンドエフェクタ５９及びワークＷを統括的に先端延在部１６０と呼ぶ。

平行リンクの横方向幅であるＰ１とＰ２との距離（換言すれば中心ＯとＰ７との距離）をＥ、アーム体２０の重心位置をＧ、アーム体２０の全質量をＨとする。簡略化のため、重心Ｇ及び全質量ＨはワークＷ、エンドエフェクタ５９等を含めたものとする。

図１０Ｂは、多関節ロボット１０が左方向を指向した状態で、第１アーム５０と先端延在部１６０とをモデル化したものである。図１０Ｂから了解されるように、アーム体２０の最も基端側は中心Ｏであることから、該アーム体２０にかかるモーメントＭ１は、中心Ｏから重心Ｇまでの距離Ｌ１と全質量Ｈとを乗算したＬ１×Ｈとなり、該モーメントＭ１が中心Ｏに加わって、仮想線で示すように、大きく歪み得る。しかしながら、多関節ロボット１０では、Ｐ３において第１アーム５０が係合部１００を介して支持板１８によって支持されていることから、モーメントＭ１は、概略的には、Ｐ３から重心Ｇまでの距離Ｌ２（＝Ｌ１−Ｒ）と全質量Ｈから第１アーム５０の質量Ｈ１を減算した値とを乗算したＬ２×（Ｈ−Ｈ１）となり、該モーメントＭ１がＰ３に加わることになる。

このように重心Ｇの支点に対する距離は、係合部１００がない場合のＬ１と比較して距離Ｒだけ短いＬ２となり、質量もＨ−Ｈ１となり、モーメントＭ１を小さくすることができ、歪みを低減することができる。

また、第１アーム５０は、適度に離間した中心ＯとＰ３の２点で支えられていることから、該第１アーム５０を十分に高剛性に形成することにより端部のＰ１の位置は安定する。

先端延在部１６０と第１アーム５０とを１つの梁として考えた場合、該梁は中心ＯとＰ３の２点で支えられており、中心ＯにモーメントＭ１を打ち消すための反力Ｆ１が生じて安定する。図１０Ｂのモデルからは、反力Ｆ１は、Ｆ１＝Ｍ１／Ｒとして求められるが、実際には後述する反力Ｆ２が協調的に作用するため、Ｍ１／Ｒよりは相当に小さい値となる。

なお、このような考察から、距離Ｒはできるかぎり中心ＯとＰ１との距離Ｒ２に近いことが好ましいことが理解されよう。設計条件によりＲ＝Ｒ２とすることが困難な場合もあり、実際上は、長さＲ２に対して１／２以上、より好ましくは３／４以上に設定していると上記の効果が確実に得られる。

このような、係合部１００を介して支持板１８により第１アーム５０を支持することによる効果は、先端延在部１６０が左方向に延在している場合に限らず、例えば、図８に示す搬送途中の状態で、破線で示すように、仮に先端延在部１６０を前方に延在させた場合においても得られる。

図１０Ｃは、多関節ロボット１０が左方向を指向した状態で、連結部材５２と先端延在部１６０とをモデル化したものである。図１０Ｃから了解されるように、このモデルに加わるモーメントＭ２は、概略的には、Ｐ１（Ｐ４）から重心Ｇまでの距離Ｌ３と全質量Ｈから連結部材５２の質量Ｈ２を減算した値とを乗算したＬ３×（Ｈ−Ｈ２）となり、該モーメントＭ２がＰ１（Ｐ４）に加わることになる。

前記のとおりＰ１の位置は安定しているのであるが、仮に、Ｐ２における支持がない場合には、先端延在部１６０をＰ１（及びＰ４）だけで支持しなければならず、モーメントＭ２が加わることにより、仮想線で示すように、大きく歪み得る。しかしながら、多関節ロボット１０では、先端延在部１６０と連結部材５２とを１つの梁として考えた場合、該梁がＰ１（及びＰ４）とＰ２の２点で支えられており、Ｐ２にモーメントＭ２を打ち消すための反力Ｆ２が生じて安定する。図１０Ｃのモデルからは、反力Ｆ２は、Ｆ２＝Ｍ２／Ｅとして求められるが、実際には前記の反力Ｆ１が協調的に作用するため、Ｍ２／Ｅよりは相当に小さい値となる。

なお、理解を容易にするために、アーム体２０を図１０Ｂと図１０Ｃの２つに分けて説明をしたが、図１０Ｄに示すように統合的なモデルを用いてもよいことはもちろんである。このモデルの場合、統合的なモーメントＭａがＰ３に加わり、これを中心Ｏの反力Ｆ１とＰ２の反力Ｆ２で打ち消して安定していると判断すればよい。

次に、図１１Ａは、図１１Ｂ及び図１１Ｃとの対比用に、加工機１４にワークＷを搬入する状態を模式化したものである。図１１Ａでは、第１アーム５０が正確に右方向に延在しているものとする。

図１１Ｂは、多関節ロボット１０が左方向を指向した状態で、第１アーム５０と先端延在部１６０とをモデル化したものである。図１１Ｂは、前記の図１１Ｂと比較して左右逆になっており、この場合も係合部１００を介して支持板１８により第１アーム５０を支持することによる効果があることは容易に理解されよう。

図１１Ｃは、多関節ロボット１０が右方向を指向した状態で、連結部材５２と先端延在部１６０とをモデル化したものである。図１１Ｃから了解されるように、このモデルに加わるモーメントＭ３は、概略的には、Ｐ１（Ｐ４）から重心Ｇまでの距離Ｌ４と全質量Ｈから連結部材５２の質量Ｈ２を減算した値とを乗算したＬ４×（Ｈ−Ｈ２）となり、該モーメントＭ３がＰ１（Ｐ４）に加わることになる。

仮に、Ｐ２における支持がない場合には、先端延在部１６０をＰ１（Ｐ４）だけで支持しなければならず、モーメントＭ３が加わることにより、仮想線で示すように、大きく歪み得る。しかしながら、多関節ロボット１０では、先端延在部１６０と連結部材５２とを１つの梁として考えた場合、該梁がＰ１（Ｐ４）とＰ２の２点で支えられており、Ｐ２にモーメントＭ３を打ち消すための反力Ｆ３が生じて安定する。図１１Ｃのモデルからは、反力Ｆ３は、Ｆ３＝Ｍ３／Ｅとして求められるが、実際には前記の反力Ｆ１が協調的に作用するため、Ｍ３／Ｅよりは相当に小さい値となる。

このような、連結部材５２をＰ２で支えることによる効果は、図１０Ｃ及び図１１Ｃに示すように先端延在部１６０が左方向又は右方向に延在している場合に特に顕著であり、左右の加工機１２及び加工機１４に対してワークＷを安定して搬入及び搬出が可能となる。また、この効果は、第１アーム５０及びサブアーム５８の回動位置に拘わらずに発揮され、例えば、図１２に示すように、第１アーム５０及びサブアーム５８が前方を指向している状態でも、先端延在部１６０が左方向又は右方向に延在している場合に同様の効果が得られる。

上述したように、本実施の形態に係る多関節ロボット１０によれば、円弧レール４０により水平回動する第１アーム５０を支持することにより、自重及びワークＷの質量による撓みが少なくなり、アームの全長が長く設定されていても、ワークＷを精度良く長距離搬送をすることができる。

円弧レール４０により支持をするのは、アーム体２０における最も基端側の第１アーム５０であることから、一層確実に撓みを減少させることができる。

また、第１アーム５０と平行なサブアーム５８と、第１アーム５０及びサブアーム５８の各先端に接続された連結部材５２とを有し、これらの部材が平行リンクを構成している。このような平行リンクによれば、先端延在部１６０が連結部材５２の延在方向（Ｙ方向）と略同じ方向に延在しているときに、該先端延在部１６０を効果的に支持し、回転や撓みを一層減少させることができる。

さらに、加工機１２と加工機１４との間で多関節ロボット１０が１台のみでワークＷを搬送することができるため、システムを廉価に構成することができるとともに、設置スペースが小さくて足りる。また、台車等への受け渡し、受け取り作業が不要であり、ワークＷを迅速に搬送することができる。このような受け渡しが不要であることから台車等との同期が不要であり、制御手順が簡便である。さらに、ワークＷの搬送の搬送距離、搬送位置は、プログラムに基づいてアーム体２０の姿勢を変更することにより柔軟に対応が可能であって、加工機１２、１４のレイアウトが変更される場合にも好適に適用可能である。

さらに、ワークＷの搬送時において、基本的にはアーム体２０は水平面に沿って動作を行い、アーム体２０の姿勢としてはいわゆるエルボアップ姿勢のように無駄に鉛直方向に移動をすることがなく、移動に要するスペースが狭くて足りる。

多関節ロボット１０は、支持板１８及びアーム体２０の全体を昇降させる昇降装置１６ａ及び１６ｂを備えていることから、加工機１２、１４に対するワークＷの授受や、所定の障害物を避ける動作を簡便に行うことができる。また、アームがいわゆるエルボアップのような無駄に鉛直方向突出する姿勢にはならず、スペースを有効利用することができる。

第２アーム５４は、第１アーム５０及びサブアーム５８の両先端回動部を結ぶ線に対する直交線Ｌｐ上で接続されており、平行リンクの幅Ｅを有効に利用して自重及びワークＷの質量による撓みを一層軽減することができる。

本発明に係る多関節ロボットは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係る多関節ロボットの斜視図である。 本実施の形態に係る多関節ロボットの平面図である。 本実施の形態に係る多関節ロボットの断面側面図である。 本実施の形態に係る多関節ロボットの正面図である。 第３アームの断面平面図である。 係合部の斜視図である。 一方の加工機におけるワークの上方にエンドエフェクタが配置された状態の多関節ロボットの平面図である。 ワークを一方の加工機から他方の加工機に搬送する途中の状態の多関節ロボットの平面図である。 他方の加工機の上方にワークを配置させた状態の多関節ロボットの平面図である。 図１０Ａは、一方の加工機からワークを搬出する状態の模式平面図であり、図１０Ｂは、一方の加工機からワークを搬出する状態の先端延在部及び第１アームの模式正面図であり、図１０Ｃは、一方の加工機からワークを搬出する状態の先端延在部及び連結部材の模式正面図であり、図１０Ｄは、一方の加工機からワークを搬出する状態のアーム体の模式平面図である。 図１１Ａは、他方の加工機にワークを搬入する状態の模式平面図であり、図１１Ｂは、他方の加工機にワークを搬入する状態の先端延在部及び第１アームの模式正面図であり、図１１Ｃは、他方の加工機にワークを搬入する状態の先端延在部及び連結部材の模式正面図である。 第１アーム及びサブアームが前方を指向している状態で、先端延在部が左方向又は右方向に延在している場合の多関節ロボットの模式平面図である。

符号の説明

１０…多関節ロボット １２、１４…加工機
１８…支持板（支持部材） ２０…アーム体
４０…円弧レール ５０…第１アーム（水平アーム）
５２…連結部材 ５４…第２アーム
５６…第３アーム １００…係合部
１０６…ガイド

Claims (17)

1. 複数のアームが回動する関節を介して接続された多関節ロボットにおいて、
   水平に回動する水平アームと、
   前記水平アームの回動中心に対して同軸の円弧形状で、該水平アームの一部をスライド自在に支持する支持部材と、
   を有することを特徴とする多関節ロボット。
2. 請求項１記載の多関節ロボットにおいて、
   前記支持部材は、前記水平アームの一部と係合するレールであることを特徴とする多関節ロボット。
3. 請求項１又は２記載の多関節ロボットにおいて、
   前記支持部材は、前記水平アームの中心よりも先端側を支持することを特徴とする多関節ロボット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおいて、
   前記支持部材が前記水平アームを支持する角度範囲は、９０°〜１８０°の範囲のいずれかであることを特徴とする多関節ロボット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおいて、
   昇降装置を備えることを特徴とする多関節ロボット。
6. 請求項５記載の多関節ロボットにおいて、
   前記昇降装置には、自重補償手段が設けられていることを特徴とする多関節ロボット。
7. 請求項５又は６記載の多関節ロボットにおいて、
   前記昇降装置は並列して２台設けられ、昇降量を変化させることによりチルト動作が可能に構成されていることを特徴とする多関節ロボット。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおいて、
   最先端アームは水平回動及び（又は）捻り動作可能に構成され、前記最先端アーム以外は水平回動可能に構成されていることを特徴とする多関節ロボット。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおいて、
   前記最先端アームには、ワークを吸着するバキューム手段が設けられていることを特徴とする多関節ロボット。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおいて、
    前記最先端アームは長手方向に延在する循環体を有し、該循環体を介して先端のエンドエフェクタを回動自在に構成されていることを特徴とする多関節ロボット。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおいて、
    前記昇降装置は前記支持部材の上方に接続されており、前記水平アームは前記支持部材の下方に接続されていることを特徴とする多関節ロボット。
12. 請求項１１記載の多関節ロボットにおいて、
    側面視で、前記昇降装置は、前記水平アームの接続位置よりも前方で前記支持部材に接続されていることを特徴とする多関節ロボット。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおいて、
    前記水平アームと平行なサブアームと、
    前記水平アーム及び前記サブアームの各先端に接続された連結部材と、
    を有し、
    前記水平アーム、前記サブアーム及び前記連結部材は平行リンクを構成することを特徴とする多関節ロボット。
14. 請求項１３記載の多関節ロボットにおいて、
    前記水平アーム及び前記サブアームには、それぞれ回動駆動源が設けられていることを特徴とする多関節ロボット。
15. 請求項１３又は１４記載の多関節ロボットにおいて、
    前記水平アームの次に接続される第２アームは、前記連結部材上で、前記水平アームの先端回動部及び前記サブアームの先端回動部よりも先端側で接続されていることを特徴とする多関節ロボット。
16. 請求項１５記載の多関節ロボットにおいて、
    前記第２アームは、前記連結部材上で、前記水平アームの先端回動部及び前記サブアームの先端回動部を結ぶ線に対し、一方の先端回動部で直交する線上で接続されていることを特徴とする多関節ロボット。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおいて、
    前記水平アームの先に接続されるアームは、基端側に隣接するアームの延出方向は非動作領域に設定され、該延出方向の逆方向は動作領域に設定されていることを特徴とする多関節ロボット。

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