JP2018114587A

JP2018114587A - 作業ロボット

Info

Publication number: JP2018114587A
Application number: JP2017006545A
Authority: JP
Inventors: 篤史岡松; Atsushi Okamatsu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-07-26

Abstract

【課題】物体との接触を正しく判断でき、安全装置なしでも使用できること。【解決手段】作業ロボットは、水平方向へ伸縮するアーム部と、アーム部に連結され、鉛直方向に延在し、軸線に平行に複数の溝が形成されたスプライン軸と、アーム部及びスプライン軸を、該スプライン軸周りに旋回させる旋回機構と、アーム部及びスプライン軸を溝に沿って昇降させる昇降機構と、を備える。旋回機構は、スプライン軸周りに設けられた歯車部と、該歯車部を駆動することでアーム部及びスプライン軸を旋回させる第１駆動部と、を有する。昇降機構は、スプロケットを介して、一端がスプライン軸の下端に接続され、他端がアーム部及びスプライン軸の重力に釣合うように重さが設定された重量物体に接続されたチェーンと、スプロケットを駆動することによりアーム部及びスプライン軸を昇降させる第２駆動部と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、加工などの作業を行う作業ロボットに関する。

複数のリンクが関節を介して連結されたアームを備え、該アームが物体と接触したか否かを、関節のセンサにより検出された外力に基づいて、判断し、物体と接触したと判断したとき、停止する作業ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１３２０８０号公報

ところで、例えば、物体がアームのリンク１０１、１０２間に挟まれた場合、一方のリンク１０１にかかる反力ｆ１と、他方のリンク１０２にかかる反力ｆ２とが釣合う（図７）。これらリンク１０１、１０２にかかる反力ｆ１、ｆ２は、互いに打消し合うため、各関節のセンサ１０３、１０４は、物体がリンク１０１、１０２間に挟まれているにもかかわらず、この外力を検出できない。したがって、作業ロボットは、物体との接触を正しく判断できない虞がある。この場合、安全確保のため、柵などの安全装置によって作業ロボットの作業領域を定めるなどの対策が必要となる。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、物体との接触を正しく判断でき、安全装置なしでも使用できる作業ロボットを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
水平方向へ伸縮するアーム部と、
前記アーム部に連結され、鉛直方向に延在し、軸線に平行に複数の溝が形成されたスプライン軸と、
前記アーム部及び前記スプライン軸を、該スプライン軸周りに旋回させる旋回機構と、
前記アーム部及びスプライン軸を前記溝に沿って昇降させる昇降機構と、
を備え、
前記旋回機構は、前記スプライン軸周りに設けられた歯車部と、該歯車部を駆動することで前記アーム部及び前記スプライン軸を旋回させる第１駆動部と、を有し、
前記昇降機構は、スプロケットを介して、一端が前記スプライン軸の下端に接続され、他端が前記アーム部及びスプライン軸の重力に釣合うように重さが設定された重量物体に接続されたチェーンと、前記スプロケットを駆動することにより前記アーム部及びスプライン軸を昇降させる第２駆動部と、を有する、
ことを特徴とする作業ロボット
である。

本発明によれば、物体との接触を正しく判断でき、安全装置なしでも使用できる作業ロボットを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る作業ロボットの概略的な構成を示す斜視図である。図１に示す作業ロボットにカバーが装着された状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る作業ロボットの概略的なシステム構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るアーム部の概略的構成を示す斜視図であり、図１のＡ部分を拡大した拡大図である。（ａ）本発明の一実施形態に係るスプライン軸、及び旋回機構の概略的構成を示す図である。（ｂ）図５（ａ）に示す旋回機構をＣ方向から見た斜視図である。本発明の一実施形態に係る昇降機構の概略的構成を示す斜視図であり、図１のＢ部分を拡大した拡大図である。一方のリンクにかかる反力と他方のリンクにかかる反力とが釣合う状態を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る作業ロボットの概略的な構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す作業ロボットにカバーが装着された状態を示す図である。図３は、本実施形態に係る作業ロボットの概略的なシステム構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る作業ロボット１は、水平方向へ伸縮するアーム部２と、アーム部２に連結され、鉛直方向に延在するスプライン軸３と、アーム部２及びスプライン軸３を、該スプライン軸３周りに旋回させる旋回機構４と、アーム部２及びスプライン軸３を溝に沿って昇降させる昇降機構５と、アーム部２、旋回機構４、及び昇降機構５を制御する制御装置６と、を備えている。

図４は、本実施形態に係るアーム部の概略的構成を示す斜視図であり、図１のＡ部分を拡大した拡大図である。

アーム部２の先端には、例えば、ナット、ボルト、ネジなどを締め付けるナットランナーや、塗料などを塗布するディスペンサーなどのツールＴが搭載される。アーム部２は、水平方向へ伸縮する伸縮機構２１を有している。

アーム部２は、伸縮機構２１により伸縮することで、ツールを水平方向の任意の位置に移動させることができる。伸縮機構２１は、例えば、スプライン軸３の上端に固定された本体部２１１と、本体部２１１のレールに従って移動するスライド部２１２と、スライド部２１２を移動させるモータなどのアクチュエータ２１３と、を有している。

図５（ａ）は、本実施形態に係るスプライン軸、及び旋回機構の概略的構成を示す図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す旋回機構をＣ方向から見た斜視図である。図６は、本実施形態に係る昇降機構の概略的構成を示す斜視図であり、図１のＢ部分を拡大した拡大図である。

スプライン軸３の上端は、アーム部２の中央付近に連結されている。スプライン軸３には、軸線に平行に複数の溝が形成されている。スプライン軸３の下端には、スプライン軸３を支持する支持する支持部材３１が設けられている。支持部材３１は、例えば、ベアリングなどを介して、スプライン軸３を回転可能に支持する。

旋回機構４は、スプライン軸３周りに設けられた軸受部４１及び旋回歯車（歯車部）４２と、該旋回歯車４２を駆動することでアーム部２及びスプライン軸３を旋回させる第１駆動部４３と、を有している。

スプライン軸３周りには、旋回歯車４２を上下方向で挟み込むようにして一対の軸受部４１が設けられている。各軸受部４１の外輪は、固定部材４４によって、本体フレーム７に固定されている。スプライン軸３は、各軸受部４１の内輪に対して上下方向へスライド可能に構成されている。同様に、スプライン軸３は、旋回歯車４２に対して上下方向へスライド可能に構成されている。一方、スプライン軸３の溝には、旋回歯車４２の内周の溝が噛合っている。したがって、旋回歯車４２が回転すると、スプライン軸３もその回転に連動して回転する。

第１駆動部４３は、例えば、モータなどのアクチュエータ４３１と、アクチュエータ４３１の駆動軸に連結された駆動歯車４３２と、で構成されている。駆動歯車４３２は、旋回歯車４２と噛合っている。したがって、アクチュエータ４３１が駆動し、駆動歯車４３２が回転すると、駆動歯車４３２に噛合った旋回歯車４２が回転し、旋回歯車４２に噛合ったスプライン軸３が回転する。これにより、スプライン軸３に連結されたアーム部２は、旋回する。なお、上記旋回機構４の構成は一例であり、これに限定されない。

昇降機構５は、一対のスプロケット５１と、重量物体５２と、スプロケット５１を介してスプライン軸３及び重量物体５２に接続された一対のチェーン５３と、スプロケット５１を駆動する第２駆動部５４と、を有している。

一対のスプロケット５１は、軸部材５５を介して連結されている。軸部材５５は、本体フレーム７に軸受部などを介して回転可能に軸支されている。重量物体５２は、アーム部２及びスプライン軸３の重力に釣合うように重さが設定されている。

重量物体５２は、鉄や鉛からなる複数の板状のウエイト５２１と、各ウエイト５２１を取り外し可能に保持する保持部材５２２と、で構成されている。ユーザは、このウエイト５２１を調整することで、重量物体５２全体の重さを調整できる。

各チェーン５３の一端は、スプライン軸３の下端に接続されている。各チェーン５３の他端は、重量物体５２に接続されている。各チェーン５３は、各スプロケット５１に掛かり、釣り下がり、その両端部がスプライン軸３及び重量物体５２に接続されている。各チェーン５３の一端は、各スプライン軸３の支持部材３１の端部に接続されている。各チェーン５３の他端は、重量物体５２の保持部材５２２に接続されている。

第２駆動部５４は、モータなどのアクチュエータ５４１と、アクチュエータ５４１の駆動軸に連結された第１傘歯車５４２と、スプロケット５１の軸部材５５の端部に連結され、第１傘歯車５４２に噛合う第２傘歯車５４３と、を有している。

アクチュエータ５４１によって、第１傘歯車５４２が回転すると、第１傘歯車５４２に噛合う第２傘歯車５４３が回転し、第２傘歯車５４３に連結されたスプロケット５１の軸部材５５が回転する。そして、スプロケット５１に掛かるチェーン５３が上下方向に移動することで、チェーン５３に接続されたスプライン軸３が上下方向へ移動する。これにより、スプライン軸３に連結されたアーム部２は、昇降する。

第２駆動部５４が、アーム部２を上昇させる際、第２駆動部５４には、通常、アーム部２及びスプライン軸３の重力負荷が掛かる。しかしながら、本実施形態においは、重量物体５２の重力は、スプロケット５１及びチェーン５３を介して、アーム部２及びスプライン軸３の重力と、釣り合っている。このため、第２駆動部５４に対する、アーム部２及びスプライン軸３の重力は、重量物体５２の重力によってキャンセルされる。したがって、第２駆動部５４は、低推力でアーム部２及びスプライン軸３を上昇させることができる。例えば、第２駆動部５４の小型化、低コストに繋がる。なお、上記昇降機構５の構成は一例であり、これに限定されない。

制御装置６は、アーム部２の伸縮、旋回機構４の旋回、及び昇降機構５の昇降を制御する。制御装置６は、アーム部２、旋回機構４、及び昇降機構５のアクチュエータ２１３、４３１、５４１に対して制御信号を送信することで、アーム部２、旋回機構４、及び昇降機構５をそれぞれ制御する。

例えば、制御装置６は、センサにより検出されたアクチュエータ２１３、４３１、５４１のトルクが閾値以上になったと判断したとき、物体がアーム部２等に接触したと判断する。この場合、制御装置６は、アーム部２の伸縮、旋回機構４の旋回、昇降機構５の昇降などの動作を停止させる制御を行う。

制御装置６は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、ＣＰＵによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ６２、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）６３、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、それぞれ、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ６１、メモリ６２、及びインターフェイス部６３は、データバスなどを介して相互に接続されている。

制御装置６及びその配線は、例えば、本体フレーム７内にコンパクトに内蔵されている。これは、作業ロボット１の動作を、アーム部２の伸縮、スプライン軸３の旋回及び昇降のみによって実現し、その構成の簡素化を図ることで、制御装置６及びその配線のためのスペースを確保できたからである。

ところで、例えば、従来、物体が作業ロボットのアームのリンク１０１、１０２間に挟まれた場合、一方のリンク１０１にかかる反力ｆ１と、他方のリンク１０２にかかる反力ｆ２とが釣合う（図７）。これらリンク１０１、１０２にかかる反力ｆ１、ｆ２は、互いに打消し合うため、アームの各関節のセンサ１０３、１０４は、物体がリンク１０１、１０２間に挟まれているにもかかわらす、この外力を検出できない。したがって、作業ロボットは、物体との接触を正しく判断できない虞がある。この場合、安全確保のため、柵などの安全装置によって作業ロボットの作業領域を定める必要がある。

これに対し、本実施形態に係る作業ロボット１は、上述の如く、水平方向へ伸縮するアーム部２と、アーム部２に連結され、鉛直方向に延在し、軸線に平行に複数の溝が形成されたスプライン軸３と、アーム部２及びスプライン軸３を、該スプライン軸３周りに旋回させる旋回機構４と、アーム部２及びスプライン軸３を溝に沿って昇降させる昇降機構５と、を備える。

旋回機構４は、スプライン軸３周りに設けられた軸受部４１及び旋回歯車４２と、旋回歯車４２を駆動することでアーム部２及びスプライン軸３を旋回させる第１駆動部４３と、を有している。昇降機構５は、スプロケット５１を介して、一端がスプライン軸３の下端に接続され、他端がアーム部２及びスプライン軸３の重力に釣合うように重さが設定された重量物体５２に接続されたチェーン５３と、スプロケット５１を駆動することによりアーム部２及びスプライン軸３を昇降させる第２駆動部５４と、を有している。

本実施形態に係る作業ロボット１は、上記アーム部２の伸縮、昇降機能、及び旋回機構４を用いて、広範な作業を実現できる。さらに、本実施形態に係る作業ロボット１は、リンクを有しない構成で、上記作業を実現できるため、上記リンク間に物体が挟まれるといった問題も生じず、物体との接触を正しく判断できる。したがって、安全確保のため、柵などの安全装置によって作業ロボット１の作業領域を定めるなどの対策が必要ない。すなわち、物体との接触を正しく判断でき、安全装置なしでも使用できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１作業ロボット
２アーム部
３スプライン軸
４旋回機構
５昇降機構
６制御装置
７本体フレーム
２１伸縮機構
３１支持部材
４１軸受部
４２旋回歯車
４３第１駆動部
４４固定部材
５１スプロケット
５２重量物体
５３チェーン
５４第２駆動部
５５軸部材
２１１本体部
２１２スライド部
２１３アクチュエータ
４３１アクチュエータ
４３２駆動歯車
５２１ウエイト
５２２保持部材
５４１アクチュエータ
５４２第１傘歯車
５４３第２傘歯車

Claims

水平方向へ伸縮するアーム部と、
前記アーム部に連結され、鉛直方向に延在し、軸線に平行に複数の溝が形成されたスプライン軸と、
前記アーム部及び前記スプライン軸を、該スプライン軸周りに旋回させる旋回機構と、
前記アーム部及びスプライン軸を前記溝に沿って昇降させる昇降機構と、
を備え、
前記旋回機構は、前記スプライン軸周りに設けられた歯車部と、該歯車部を駆動することで前記アーム部及び前記スプライン軸を旋回させる第１駆動部と、を有し、
前記昇降機構は、スプロケットを介して、一端が前記スプライン軸の下端に接続され、他端が前記アーム部及びスプライン軸の重力に釣合うように重さが設定された重量物体に接続されたチェーンと、前記スプロケットを駆動することにより前記アーム部及びスプライン軸を昇降させる第２駆動部と、を有する、
ことを特徴とする作業ロボット。