(57)【要約】【課題】簡単な構成でありながら荷重の比較的大きいロボットアームの落下を模擬的に再現することができ、精度の高い衝突試験が容易に行える衝突試験装置を提供する。【解決手段】基台１５上に揺動自在に連結された揺動アーム１０と、揺動アームに保持されたウエイト部材１２と、ロボットアームを被覆する表皮部材と同じ材料種で形成されていて揺動アームに着脱自在且つ揺動アームの長手に沿って移動自在に保持された試験用表皮部材１１と、試験用表皮部材１１を揺動アーム１０に沿った所定位置に解除自在に固定する固定手段と、揺動アーム１０を傾動落下させる落下起動手段２７と、揺動アーム１０が傾動落下したしたとき、試験用表皮部材１１が衝突する位置に被衝突体１４を支持する支持台１３と、被衝突体１４に付与される衝撃荷重を測定する衝撃荷重測定手段３７とを設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業用多関節ロボットの関節軸による姿勢維持状態が解除されて当該関節軸を支点として自重により傾動落下するロボットアームの被衝突体への衝突を模擬的に再現する衝突試験装置であって、
基台上に下端が揺動軸を介して揺動自在に連結されて起立する揺動アームと、
該揺動アームに着脱自在に保持されて重量が変更可能なウエイト部材と、
前記ロボットアームを被覆する表皮部材と同じ材料種で形成されていて前記揺動アームに着脱自在且つ揺動アームの長手に沿って移動自在に保持された試験用表皮部材と、
該試験用表皮部材を前記揺動アームに沿った所定位置に解除自在に固定する固定手段と、
前記揺動アームを起立状態から傾動落下させる落下起動手段と、
前記揺動アームが傾動落下したしたとき、試験用表皮部材が衝突する位置に前記被衝突体を支持する支持台と、
試験用表皮部材が衝突した際の前記被衝突体に付与される衝撃荷重を測定する衝撃荷重測定手段とを備えることを特徴とする衝突試験装置。
【請求項２】
前記被衝突体は、人の標準的身体特性を有する模型であることを特徴とする請求項１記載の衝突試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用多関節ロボットの関節軸による姿勢維持状態が解除されて当該関節軸を支点として自重により傾動落下するロボットアームの被衝突体への衝突を模擬的に再現する衝突試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、産業用多関節ロボットは、図１に示すように、ベース部１から延びるロボットアーム２を備えている。このロボットアーム２は、複数の関節軸５，６により連結されて各関節軸５，６を介して屈曲自在とされた複数のアーム部３，４により構成されている。また、各アーム部３，４は、各関節軸５，６に組み込まれたモータ等の駆動源を制御することで屈伸動作が行われると共に、ロボットアーム２の姿勢が所定の姿勢に維持される。
【０００３】
ところで、ロボットアーム２の駆動源を制御する信号が停電等により不用意に遮断された場合には、ロボットアーム２の姿勢維持状態が解除され、ロボットアーム２が例えば関節軸６を支点として自重により傾動落下するおそれがある。そして、この落下位置に他の機器類があったり、万一人がロボットアーム２の下方に侵入していた場合には、ロボットアーム２の衝突により他の機器類が損傷したり、ロボットアーム２が人に接触する事態が生じるおそれもある。そこで、ロボットアーム２の落下による他の機器類が損傷を防止したり人に対する安全性を向上させるために、アーム部３，４に合成樹脂製の表皮部材７を取り付けることが行われる。
【０００４】
しかし、アーム部３，４に装着した表皮部材７が安全性の向上にどれだけの効果があるかについての評価は行われていないのが現状である。このため、自重により傾動落下するロボットアーム２が他の機器類や人に接触した場合の状況を模擬的に再現する試験を行うことが望まれている。
【０００５】
従来、この種の試験装置として、基台上に直立した支柱の上端に回転軸を介して支持されたアームと、このアームの先端に設けられた試験ヘッドとを備え、アームを振り子運動させることにより、試験ヘッドを被衝突面に衝突させるものが知られている（下記特許文献１参照）。このものでは、支柱とアームが任意の角度となるように試験ヘッドを任意の高さまで上げ、この高さから自由落下させた試験ヘッドを被衝突面に衝突させる。更に、アームは伸縮可能に構成されており、アームの長さを変更することで異なる加速度での試験が行えるようになっている。
【０００６】
産業用多関節ロボットの場合、図１に示すように、ロボットアーム２の重量が予めわかっていても、各アーム部３，４の長さ方向の何れの位置が他の機器類や人に接触するかは他の機器類や人の位置によって変化する。このため、上記従来の試験装置を用いて、産業用多関節ロボットのロボットアーム２の傾動落下を再現する場合には、アームの長さを変更して衝突位置を変化させることが考えられるが、試験ヘッドが落下時の荷重を有しているため、アームの長さを変更した時点で荷重位置も変化してしまい、ロボットアーム２の傾動落下を正確に再現することができない。また、ロボットアーム２の重量が比較的大であるため、試験ヘッドの重量を大とする必要があり、この試験ヘッドを所定の高さ位置まで上げるために比較的大きな駆動源が必要となるだけでなく、試験ヘッドの高さ位置も高精度に制御する必要があるため、装置構成が大掛かりとなってコストが増加する。
【特許文献１】特開２００３−１５６４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑み、簡単な構成でありながら荷重の比較的大きいロボットアームの落下を模擬的に再現することができ、精度の高い衝突試験が容易に行える衝突試験装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために、本発明は、産業用多関節ロボットの関節軸による姿勢維持状態が解除されて当該関節軸を支点として自重により傾動落下するロボットアームの被衝突体への衝突を模擬的に再現する衝突試験装置であって、基台上に下端が揺動軸を介して揺動自在に連結されて起立する揺動アームと、該揺動アームに着脱自在に保持されて重量が変更可能なウエイト部材と、前記ロボットアームを被覆する表皮部材と同じ材料種で形成されていて前記揺動アームに着脱自在且つ揺動アームの長手に沿って移動自在に保持された試験用表皮部材と、該試験用表皮部材を前記揺動アームに沿った所定位置に解除自在に固定する固定手段と、前記揺動アームを起立状態から傾動落下させる落下起動手段と、前記揺動アームが傾動落下したしたとき、試験用表皮部材が衝突する位置に前記被衝突体を支持する支持台と、試験用表皮部材が衝突した際の前記被衝突体に付与される衝撃荷重を測定する衝撃荷重測定手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、前記揺動アームを起立状態として前記試験用表皮部材を前記固定手段によって所定の高さ位置に固定し、該試験用表皮部材の衝突位置に対応する位置に前記支持台により被衝突体を支持する。試験用表皮部材は固定手段による固定を解除することで、揺動アームに沿って移動させることができるので、揺動アームに保持されたウエイト部材の位置を変えることなく試験用表皮部材の位置を変更することができる。これにより、試験用表皮部材をロボットアームに装着された表皮部材の所望の位置に対応させることができ、構造簡単として、ロボットアームの表皮部材を複数の位置において模擬することができる。
【００１０】
また、ウエイト部材はその重量が変更可能であるので、揺動アームの重量をロボットアームの重量に合わせて変更することができる。前記揺動アームは、前記ウエイト部材を保持して前記落下起動手段により起立状態から傾動落下するので、産業用多関節ロボットの関節軸による姿勢維持状態が解除されて当該関節軸を支点として自重により傾動落下するロボットアームの動きを再現することができる。
【００１１】
そして、傾動落下した揺動アームに保持された試験用表皮部材は、上述した通り確実にロボットアームの傾動落下が再現された状態で、支持台に支持された被衝突体に衝突するので、衝撃荷重測定手段によって精度良く衝撃荷重を測定することができる。
【００１２】
また、本発明において、前記被衝突体が、人の標準的身体特性を有する模型であれば、ロボットアームが傾動落下してその表皮部材が人に接触した状態を模擬することができ、ロボットアームの表皮部材の安全性を評価するにあたり極めて有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は産業用多関節ロボットの一例を示す説明図、図２は本発明の一実施装置の概略構成を示す説明図、図３は本実施形態における揺動アームを一部破断して示す側面視説明図、図４は本実施形態における揺動アームを一部破断して示す正面視説明図、図５は本実施形態における支持台の要部を示す説明図、図６は本実施形態における衝撃荷重測定手段の構成を示す説明図、図７は測定工程により測定された所定の接触面積における試験用表皮部材の厚み寸法毎と衝撃荷重との関係を示すグラフ、図８は人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すグラフである。
【００１４】
本実施形態の衝突試験装置は、図１に一例を示すような産業用多関節ロボットを模擬するものである。図１に示すように、産業用多関節ロボットは、ベース部１と、このベース部１に支持されて先端に作業用工具等が連結されたロボットアーム２とを備えている。ロボットアーム２は第１アーム部３と第２アーム部４とを備えている。第１アーム部３と第２アーム部４とは第１関節軸５を介して屈伸自在に連結されている。ベース部１は第２関節軸６を介して第２アーム部４を揺動自在に連結し支持している。各関節軸５，６には、図示しないモータ等の駆動源が取り付けられている。ロボットアーム２は、駆動源を制御することで屈伸動作が行われると共に、姿勢が所定の姿勢に維持される。そして、ロボットアーム２の少なくとも第１アーム部３及び第２アーム部４には、合成樹脂製の表皮部材７を取り付けることで、ロボットアーム２が他部に接触した際の安全性を向上させることが可能となる。
【００１５】
ロボットアーム２は、例えば、第２関節軸６の駆動源を制御する信号が停電等により不用意に遮断された場合には、その姿勢維持状態が解除され、第２関節軸６を支点として自重により傾動落下するおそれがある。本実施形態の衝突試験装置は、自重により傾動落下するロボットアーム２とそのロボットアーム２に表皮部材７を介して人が接触した際の状況を再現する。即ち、図２に示すように、本実施形態の衝突試験装置は、ロボットアーム２を模擬する揺動アーム１０を備え、揺動アーム１０は、その下端部を支点として一方向に傾動落下するようになっている。揺動アーム１０は傾動する側に試験用表皮部材１１を保持しており、その反対側にウエイト部材１２を保持している。そして、揺動アーム１０に保持された試験用表皮部材１１の落下位置には支持台１３上に支持された被衝突体１４を位置させておき、試験用表皮部材１１を被衝突体１４に衝突させるようになっている。
【００１６】
衝突試験装置の構成を更に詳しく説明する。図３及び図４に示すように、揺動アーム１０は、基台１５のフレーム１６に回転自在に支持された揺動軸１７により揺動自在に設けられている。揺動軸１７は揺動アーム１０の下端に一体に連結された連結部材１８に回転不能に設けられている。図３に示すように、連結部材１８における揺動アーム１０の連結位置は、揺動軸１７の直上ではなく、一方向に所定距離を存して位置している。揺動アーム１０は、揺動軸１７が位置する側に傾動落下し、その反対側はフレーム１６に設けられたストッパ１９により揺動が規制されて起立姿勢となる。図４に示すように、揺動軸１７には、その回転位置を検出するためのエンコーダ２０が連結されいる。
【００１７】
図３及び図４に示すように、揺動アーム１０の傾動落下する側には試験用表皮部材１１が保持されている。試験用表皮部材１１は、揺動アーム１０の長手方向に延びるレール部２１に沿って摺動自在の摺動部材２２に着脱自在に保持されている。摺動部材２２は、ボルト２３の頭部２４がレール部２１の内部で抜け止め保持されておりナット２５の締め付けにより所定位置で摺動不能に固定される。即ち、ボルト２３及びナット２５は本発明の固定手段を構成している。
【００１８】
試験用表皮部材１１は、前述したロボットアーム２の表皮部材７を模したものであって、被衝突体１４との接触面積が所定の面積に予め設定されており、表皮部材７に好適に採用されることが想定される材料種毎に複数用意されている。即ち、試験用表皮部材１１は、異なる合成樹脂素材毎に複数用意され、更に、当該材料毎に厚み寸法の異なるものが複数用意されている。好ましい合成樹脂素材としては、スチレン系エラストマーや発泡ポリプロピレン等を挙げることができる。
【００１９】
また、図３に示すように、試験用表皮部材１１の衝突面を正しく揺動軸１７中心で移動させるべく、摺動部材２２の厚みを変更することにより、側面視において試験用表皮部材１１の面が揺動軸１７の軸心の直上位置に合致するように調整する。これは、産業用多関節ロボットのロボットアーム２にみたてた揺動アーム１０から、表皮部材７を模擬する試験用表皮部材１１の面だけが突出しないようにするためである。
【００２０】
また、図３に示すように、揺動アーム１０の上部側には、ウエイト支持部材２６によって着脱自在に支持された複数のウエイト部材１２が保持されている。ウエイト支持部材２６に支持される各ウエイト部材１２を増減させることで、揺動アーム１０の重量を増減することができ、これによってロボットアーム２の重量に合わせることができる。
【００２１】
更に、フレーム１６には、揺動アーム１０を起立状態から傾動落下させる落下起動手段２７が設けられている。落下起動手段２７は、ギヤボックス付きのモータ２８（図４参照）と、このモータ２８のギヤボックスを介した出力回転軸２９に設けられたカム部材３０とによって構成されている。モータ２８によりカム部材３０を回転させることにより、揺動アーム１０がその背後から倒れ方向に押し出され、これによって、揺動アーム１０は自重で傾動落下する。
【００２２】
なお、図４に示すように、揺動アーム１０の一側には、揺動アーム１０を略垂直に起立する姿勢に維持するための固定ピン３１が設けられている。固定ピン３１は、揺動アーム１０に設けられた係合部材３２の挿通孔３３を介して、フレーム１６の挿着部材３４に形成されている挿着孔３５に挿着され、揺動アーム１０の不用意な傾動落下を防止する。揺動アーム１０を傾動落下させる際には、前記カム部材３０を作動させるに先立ち固定ピン３１を取り除く。
【００２３】
支持台１３は、図２に示すように、被衝突体１４を支持する平坦な台である。被衝突体１４は、人の標準的身体特性を有する模型であり、本実施形態においては、この模型において人の頭部を模擬する部分を用いる。図５に示すように、被衝突体１４の載置位置には、載置板３６が設けられており、この載置板３６の下方には、図６に示すように、被衝突体１４に付与される衝撃荷重を測定する衝撃荷重測定手段３７が設けられている。衝撃荷重測定手段３７は、ロードセル３８と、その両側で載置板３６を水平状態で案内する一対の案内ロッド３９とによって構成されている。なお、衝突荷重測定手段３７は、モニタＭに接続され、測定された単位時間毎の荷重の記録、視覚的表示、プリントアウト、持ち運び可能な記録媒体への保存、外部記憶手段への通信等を行うことが可能になっている。
【００２４】
次に、以上の構成による衝突試験装置を用いた試験の一例について説明する。先ず、揺動アーム１０の摺動部材２２に試験用表皮部材１１を取り付け、ウエイト支持部材２６に揺動アーム１０が所望の重量となるようにウエイト部材１２を取り付ける。次いで、摺動部材２２を摺動させて試験用表皮部材１１を所望の位置で固定する。これにより、ウエイト部材１２の位置を変えることなく試験用表皮部材１１の位置を所望の位置に保持させることができ、揺動アーム１０を実際のロボットアーム２を想定した一定の重量として、表皮部材７の接触位置を適宜選択することができる。また、試験用表皮部材１１の位置を変えることなく、ウエイト部材１２の増減による揺動アーム１０の重量を変更することもできる。
【００２５】
続いて、支持台１３の載置板３６上に被衝突体１４（人の模型の頭部）を載置し、更に、支持台１３を移動させて、被衝突体１４が試験用表皮部材１１の落下位置となるように位置決めする。
【００２６】
次いで、固定ピン３１を取り除き、落下起動手段２７のカム部材３０を回転させて揺動アーム１０を傾動落下させ、被衝突体１４に試験用表皮部材１１を衝突させて衝撃を付与する（衝撃付与工程）。このとき、被衝突体１４が受けた衝撃荷重をロードセル３８により測定する（測定工程）。そして、衝撃付与工程及び測定工程は、試験用表皮部材１１の材料種を変更して繰り返し行われる。本実施形態においては、先ず、１種類の合成樹脂素材Ａについて厚み寸法の異なる複数の試験用表皮部材１１での衝撃付与工程及び測定工程を繰り返し行い、次いで、他の種類の合成樹脂素材Ｂについて厚み寸法の異なる複数の試験用表皮部材１１での衝撃付与工程及び測定工程を繰り返し行う。これによって、各合成樹脂素材Ａ，Ｂでの厚み寸法毎の衝撃荷重が測定できる。そして、このとき測定された衝撃荷重により、図７のグラフのように、所定の接触面積（図７においては４０００mm2）における試験用表皮部材１１の各素材Ａ，Ｂについての厚み寸法（１０mm〜６０mm）と衝撃荷重との関係を示すことができる。
【００２７】
ここで更に、図８のグラフで示されるような、予め採取された人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すデータを用いれば、産業用多関節ロボットの安全性を容易に評価することができる。図８のグラフにおいて示されるデータは、例えば、人の頭蓋骨の標準的強度を有する人頭部模型に対して、材料種毎に接触面積を変えながら骨折に相当する損傷が生じるまでの衝撃荷重を測定することにより得られたものであり、このデータの採取作業は、本実施形態における試験に先立って行われたものである。なお、人の頭蓋骨の標準的強度を有する人頭部模型は、例えば、米国のＳａｗｂｏｎｅｓ社にて作製されたものが使用できる。そして、このデータの採取作業においては、当該人頭部模型が壊れない程度に、即ち人頭部模型の弾性域で、荷重を加え、該人頭部模型の荷重に応じた歪を歪ゲージにて測定し、個体差がないかどうか確認する。
【００２８】
図８のグラフを用いて、所定の接触面積における人体骨折相当の衝撃荷重が求められるので、図７に示す各素材Ａ，Ｂについての各厚み寸法と衝撃荷重との関係に基づいて、人体骨折相当の衝撃荷重を下回る合成樹脂素材と採用可能な厚み寸法との組み合わせを評価用データｈとして得ることができる（評価用データ生成工程）。
【００２９】
そして、以上のようにして求められた評価データｈを用いれば、実際の産業用多関節ロボットにおけるロボットアーム２の荷重、表皮部材７の材料種、及び想定される接触面積を確認するだけで、当該産業用多関節ロボットの安全性を極めて容易に評価することができる。或いは、実際の産業用多関節ロボットのロボットアーム２の荷重及び想定される接触面積を確認するだけで、当該ロボットアーム２に取り付ける表皮部材７の材料種を的確に選定することができる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、被衝突体として人の標準的身体特性を有する模型を用いたが、ロボットアーム２の落下による他の機器類の損傷を防止するために表皮部材７を選定する場合には、例えば、図示しないが、被衝突体として、機器類の筐体を模したものを用いてもよい。
【００３１】
また、ここで産業とは、工業のみならず、第１次産業や、工業その他の第２次産業、又は第３次産業等を含む全ての産業である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】産業用多関節ロボットの一例を示す説明図。
【図２】本発明の一実施装置の概略構成を示す説明図。
【図３】本実施形態における揺動アームを一部破断して示す側面視説明図。
【図４】本実施形態における揺動アームを一部破断して示す正面視説明図。
【図５】本実施形態における支持台の要部を示す説明図。
【図６】本実施形態における衝撃荷重測定手段の構成を示す説明図。
【図７】測定工程により測定された所定の接触面積における試験用表皮部材の厚み寸法毎と衝撃荷重との関係を示すグラフ。
【図８】人体骨折相当の衝撃荷重と接触面積との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
２…ロボットアーム、５，６…関節軸、７…表皮部材、１０…揺動アーム、１１…試験用表皮部材、１２…ウエイト部材、１３…支持台、１４…被衝突体、１５…基台、１７…揺動軸、２３…ボルト（固定手段）、２７…落下起動手段、３７…衝撃荷重測定手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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