JP6247200B2 - ロボット手首のためのツールアダプタ及びツールアダプタを取り付けたロボット - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの手首部にツールを装着するためのツールアダプタに関する。本発明はまた、手首部にツールアダプタを取り付けたロボットに関する。

産業用ロボット（本願でロボットと称する）の手首部は一般に２自由度又は３自由度を有する。この手首部に、例えばスタッド溶接ガンや穴明けヘッド等の、作業中に対象物から比較的大きな反力を受けるツール（すなわちエンドエフェクタ）を装着する際に、対象物からツールを介して手首部に加わる反力の方向を考慮すべき場合がある。例えば、特許文献１に記載のツール支持装置は、多軸ロボットのアーム先端にツールを揺動可能かつ重力に対し平衡状態に装着する構成を有するとともに、装着したツールをワークに押し付ける加圧装置を備えて構成される。図面を参照すると、「ロボットアームＲａの先端」は、「ロボットアームＲａ」に対し第１の軸線（紙面に直交する軸線）を中心に回転可能に連結され、「ロボットアームＲａの先端に取付けられた支持ブラケット１０」は、「ロボットアームＲａの先端」に対し、第１の軸線に直交する第２の軸線を中心に回転可能に連結されていることが理解される。また図面を参照すると、作業中にワークからツールに加わる反力のベクトルは、「支持ブラケット１０」が有する第２の軸線から略平行にずれた位置であって、「ロボットアームＲａの先端」が有する第１の軸線に交差しない位置に存在することが理解される。

特許文献１に記載の上記構成では、作業中にワークからツールに加わる反力により、「ロボットアームＲａの先端」すなわち手首部に、第１の軸線を中心とした力のモーメントが発生する。この力のモーメントにより手首部に撓みが生じると、ツールを用いたロボット作業の品質に影響を及ぼす恐れがある。この場合、作業中にワークからツールに加わる反力のベクトルの位置を「支持ブラケット１０」の第２の軸線に一致させるように構成すれば、力のモーメントの発生を回避できる。しかしこの構成では、「ロボットアームＲａの先端」の第１の軸線からツール先端までの距離が増加することが予測され、またワークやその周辺物体に対する干渉が生じ易くなって作業性が悪化することが懸念される。

特開平７−００１２７６号公報（段落００２２、図２〜図７）

ロボットの手首部にツールを装着するためのツールアダプタにおいて、ツールを用いたロボット作業の作業性を悪化させることなく、対象物からツールを介して手首部に加わる反力が作業の品質に及ぼし得る影響を排除できるようにすることが望まれている。

本発明の一態様は、第１の軸を中心に回転可能な第１回転部材と、第１の軸に直交する第２の軸を中心に回転可能な第２回転部材とを有する２自由度以上のロボット手首部に、ツールを装着するためのツールアダプタであって、第１取付部を有し、第１取付部で第２回転部材に取り付けられる平板状の第１部分と、第１部分から延長される第２部分であって、第２取付部を有し、第２取付部でツールに取り付けられる平板状の第２部分と、第１部分及び第２部分の一対の側縁に沿って設けられる一対の側壁と、第１部分及び第２部分から平行に離間して一対の側壁の間に延設される上壁とを備え、第１取付部と第２取付部とは、ツールを用いた作業中に対象物からツールを介して第２部分に加わる反力の方向が、第１の軸と第２の軸との双方に交差する方向となる位置にそれぞれ配置される、ツールアダプタである。

本発明の他の態様は、上記したツールアダプタを取り付けた２自由度以上の手首部を備えるロボットである。

一態様に係るツールアダプタでは、ロボット作業中にツールを介してツールアダプタの第２部分に加わる反力のベクトルが、第１の軸に交差する位置に配置されるから、手首部に対して第１の軸を中心とした力のモーメントが発生することは回避される。したがって、第１回転部材及び第２回転部材を含む手首部の構成部品は、反力に起因する撓みを生じない。手首部の構成部品に撓みが生じなければ、反力が作業の品質に及ぼし得る影響を排除できる。また、第１取付部と第２取付部とは、反力の方向が第２の軸に交差する方向となる位置に配置されているから、第２の軸を有する第２回転部材を、ツールから第１の軸を中心とした所定角度だけ離れた位置に配置でき、その結果、手首部と対象物や他の周辺物体との間の干渉を回避できる。ツールを第２部分に取り付けたことで、第１の軸からツール先端までの距離が短縮され、手首部と対象物や他の周辺物体との間の干渉が回避される。このようにツールアダプタによれば、ツールを用いたロボット作業の作業性を悪化させることなく、対象物からツールを介して手首部に加わる反力が作業の品質に及ぼし得る影響を排除できる。

他の態様に係るロボットによれば、ツールを用いたロボット作業の作業性を悪化させることなく、ロボット作業の品質を向上させることができる。

一実施形態によるロボットを概略で示す正面図である。 図１のロボットの手首部の拡大斜視図である。 一実施形態によるツールアダプタの図で、（ａ）一方向から示す斜視図、（ｂ）他方向から示す斜視図である。 図３のツールアダプタにより手首部に装着したツールを用いたロボット作業の一例を示す斜視図である。 図３のツールアダプタにより手首部に装着したツールを用いたロボット作業の他の例を示す正面図である。 他の実施形態によるツールアダプタを取り付けた手首部の正面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

図１は、一実施形態によるロボット１０を示す。ロボット１０は、静止基台１２と、鉛直な軸線Ｊ１（以下、軸Ｊ１と称する）を中心に回転（旋回）可能に静止基台１２に連結される旋回台１４と、軸Ｊ１に直交する水平な軸線Ｊ２（以下、軸Ｊ２と称する）を中心に回転（腕振り）可能に旋回台１４に連結される下腕部１６と、軸Ｊ２に平行する水平な軸線Ｊ３（以下、軸Ｊ３と称する）を中心に回転（腕振り）可能に下腕部１６に連結される上腕部１８と、軸Ｊ３に直交する軸線Ｊ４（以下、軸Ｊ４と称する）を中心に回転（手首旋回）可能に上腕部１８に連結される手首部２０とを備える。

図２に拡大して示すように、手首部２０は、軸Ｊ４に直交する第１の軸線Ｊ５（以下、軸Ｊ５と称する）を中心に回転（手首曲げ）可能に上腕部１８に連結される第１回転部材２２と、第１の軸Ｊ５に直交する第２の軸線Ｊ６（以下、軸Ｊ６と称する）を中心に回転（手首回転）可能に第１回転部材２２に連結される第２回転部材２４とを有する。軸Ｊ４、軸Ｊ５及び軸Ｊ６は、互いに一点で交差する位置に配置される。第２回転部材２４には、一実施形態によるツールアダプタ２６が取り付けられ、ツールアダプタ２６にツール２８が支持される。

この実施形態によるロボット１０は、上記したように、３自由度（Ｊ１〜Ｊ３）のアーム構造と３自由度（Ｊ４〜Ｊ６）の手首構造とを有する垂直多関節型マニピュレータを備えている。ロボット１０は、個々の軸Ｊ１〜Ｊ６を多様に制御して、下腕部１６及び上腕部１８並びに手首部２０を多彩に動作させることで、ツール２８を用いて種々の作業を遂行することができる。なお本発明では、ロボット１０の軸構成は上記構成に限定されない。ロボット１０は例えば、５軸以下や７軸以上の垂直多関節型マニピュレータを備えることもでき、また水平多関節型や直角座標型等の様々な機械構成のマニピュレータを備えることもできる。また手首部２０は、例えば軸Ｊ４を省略した２自由度の構成を有することもできる。

一実施形態によるツールアダプタ２６は、第１回転部材２２と第２回転部材２４とを有する２自由度以上の手首部２０に、ツール２８を装着するための部材である。図３に示すように、ツールアダプタ２６は、第１取付部３０を有する第１部分３２と、第１部分３２から延長され、第２取付部３４を有する第２部分３６とを備える（図３（ａ））。第１部分３２は、図２に示すように第１取付部３０にて第２回転部材２４に取り付けられ、図示しないボルト／ナット等の締結手段により第２回転部材２４に固定される。第２部分３６は、第２取付部３４にてツール２８に取り付けられ、ボルト／ナット等の締結手段３８によりツール２８に固定される。この実施形態では、第１取付部３０は、それぞれにボルトを挿通する複数の貫通孔を有し、第２取付部３４は、ボルトを挿通する１つの貫通孔を有する。

図３（ａ）に示すように、第１部分３２と第２部分３６との各々は、平板状の形状を有する。この実施形態では、第１部分３２と第２部分３６とは互いに一体に成形される。第１取付部３０を含む平板状の第１部分３２と、第２取付部３４を含む平板状の第２部分３６とは、互いに零でない角度θを成して配置される。また図２に示すように、第１取付部３０と第２取付部３４とは、ツール２８を用いたロボット作業中に対象物からツール２８を介して第２部分３６に加わる反力Ｆの方向が、第１の軸Ｊ５と第２の軸Ｊ６との双方に交差する方向となる位置に、それぞれ配置される。

図４及び図５を参照して、ツールアダプタ２６により手首部２０に装着したツール２８を用いたロボット作業の例を説明する。この例では、ツール２８はスタッド溶接ガンであり、図示のようにツール２８にスタッド４０が装着されている。なお本発明は、ツール２８の種類を限定するものでなく、ツールアダプタ２６により様々なツール２８を手首部２０に装着できるものである。ツール２８が、スタッド溶接ガンや穴明けヘッド等の、作業中に対象物から比較的大きな反力を受けるツールである場合、本発明の効果は格別かつ極めて有利なものとなる。

図４に示す作業例では、ロボット１０は、ツールアダプタ２６により手首部２０に装着したツール２８を用いて、対象物であるワークＷにスタッド４０を溶接している。ワークＷは支持台４２に支持されている。溶接中は、所定の押圧力でスタッド４０をワークＷに押し付けるため、押圧力の反力Ｆが、スタッド４０及びツール２８を介してツールアダプタ２６の第２部分３６に加わる。このとき、反力Ｆのベクトルは、図２に示すように、第１の軸Ｊ５に交差する位置に配置されるから、手首部２０に対し、第１の軸Ｊ５を中心とした力のモーメントが発生することは回避される。したがって、第１回転部材２２及び第２回転部材２４を含む手首部２０の構成部品は、反力Ｆに起因する撓みを生じない。手首部２０の構成部品に撓みが生じなければ、例えばワークＷ上でのスタッド４０の滑り等の、反力Ｆが作業（スタッド溶接）の品質に及ぼし得る影響を排除できる。

図４と同様のロボット作業を、図５に示すように、支持台４２に支持されたワークＷの別の箇所に対して実行するときに、手首部２０とワークＷや他の周辺物体との間に干渉が生じ得る場合がある。図５の例では、手首部２０は、ワークＷが有する突出部分Ｗａに衝突する可能性が有る。この状況下で、図２に示すように、ツールアダプタ２６の第１取付部３０と第２取付部３４とは、反力Ｆの方向が第２の軸Ｊ６に交差する方向となる位置に配置されているから、第２の軸Ｊ６を有する第２回転部材２４を、ツール２８から第１の軸Ｊ５を中心とした所定角度だけ離れた位置に配置できる。このような配置の結果、手首部２０の第１回転部材２２とツールアダプタ２６の第２部分３６との間に空間が生じ、この空間により、手首部２０とワークＷの突出部分Ｗａとの間の干渉が回避される。仮に、ツール２８をツールアダプタ２６の第１部分３２に取り付けて、反力Ｆのベクトルの位置が第２の軸Ｊ６に一致するように構成した場合には、第１の軸Ｊ５からスタッド４０の先端までの距離が長くなり、やはり手首部２０とワークＷとの間に干渉が生じ得る。これに対し、ツール２８をツールアダプタ２６の第２部分３６に取り付けたことで、第１の軸Ｊ５からスタッド４０の先端までの距離が短縮され、手首部２０とワークＷとの間の干渉が回避される。

このように、ツールアダプタ２６によれば、ツール２８を用いたロボット作業の作業性を悪化させることなく、ワークＷからツール２８を介して手首部２０に加わる反力Ｆが作業の品質に及ぼし得る影響を排除できる。また、ツールアダプタ２６を手首部２０に取り付けたロボット１０によれば、ツール２８を用いたロボット作業の作業性を悪化させることなく、ロボット作業の品質を向上させることができる。

図３（ｂ）に示すように、ツールアダプタ２６は、平板状の第１部分３２及び第２部分３６の一対の側縁に沿って設けられる一対の側壁４４と、第１部分３２及び第２部分３６から略平行に離間して両側壁４４の間に延設される上壁４６とを備える。これら側壁４４及び上壁４６は、平板状の第１部分３２及び第２部分３６を有するツールアダプタ２６の、外力（特に反力Ｆ）に対する全体の剛性を高めるように作用する。ツールアダプタ２６の剛性が高まることにより、例えば図４及び図５に示すロボット作業中に、反力Ｆに起因してツールアダプタ２６自体に撓みが生じることが防止され、ロボット作業の品質に及ぼし得る影響が排除される。

ツールアダプタ２６は、図示構成以外の様々な構成を有することができる。第１部分３２及び第２部分３６は、図示の略矩形の輪郭以外の多角形や楕円形の輪郭を有することができる。第１部分３２及び第２部分３６の厚みを増加することにより、側壁４４及び上壁４６を省略することもできる。第１部分３２と第２部分３６とを、それぞれ別部品として作成して互いに固定的に連結することもできる。図６に示すように、第１部分３２と第２部分３６との成す角度θを略９０°にすることもできる。ツールアダプタ２６の構成は、適用されるロボット１０や手首部２０の構成、ロボット作業の内容、対象物（ワークＷ）の形状、要求される剛性等に応じて、様々に設定できる。

１０ ロボット
２０ 手首部
２２ 第１回転部材
２４ 第２回転部材
２６ ツールアダプタ
２８ ツール
３０ 第１取付部
３２ 第１部分
３４ 第２取付部
３６ 第２部分

Claims (4)

1. 第１の軸を中心に回転可能な第１回転部材と、該第１の軸に直交する第２の軸を中心に回転可能な第２回転部材とを有する２自由度以上のロボット手首部に、ツールを装着するためのツールアダプタであって、
   第１取付部を有し、該第１取付部で前記第２回転部材に取り付けられる平板状の第１部分と、
   前記第１部分から延長される第２部分であって、第２取付部を有し、該第２取付部で前記ツールに取り付けられる平板状の第２部分と、
   前記第１部分及び前記第２部分の一対の側縁に沿って設けられる一対の側壁と、
   前記第１部分及び前記第２部分から平行に離間して前記一対の側壁の間に延設される上壁とを備え、
   前記第１取付部と前記第２取付部とは、前記ツールを用いた作業中に対象物から前記ツールを介して前記第２部分に加わる反力の方向が、前記第１の軸と前記第２の軸との双方に交差する方向となる位置に、それぞれ配置される、
   ツールアダプタ。
2. 前記第１部分と前記第２部分とは、互いに零でない角度を成す、請求項１に記載のツールアダプタ。
3. 前記ツールがスタッド溶接ガン又は穴明けヘッドである、請求項１又は２に記載のツールアダプタ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のツールアダプタを取り付けた２自由度以上の手首部を備えるロボット。

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