(57)【要約】【課題】コスト高を招くことなく、垂直多関節ロボットのエンドエフェクタの位置決め精度を向上させる。【解決手段】回転軸が鉛直方向と交差する方向（例えば水平方向）となるように配された回転ジョイント１１，２２，２３，１３を固定した状態で、回転軸が鉛直方向となるように配された他の回転ジョイント２１，１２，２４、及び、直進軸が水平方向と交差する方向となるように配された直進ジョイント３０を駆動することにより、エンドエフェクタ３の三次元位置を調整する。【選択図】図２
2017007065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回転ジョイント、及び、直進ジョイントを有する多関節アームと、前記多関節アームの先端に設けられたエンドエフェクタとを備えた垂直多関節ロボットの位置決め方法であって、
回転軸が鉛直方向と交差する方向となるように配された回転ジョイントを固定した状態で、回転軸が鉛直方向となるように配された他の回転ジョイント、及び、直進軸が水平方向と交差する方向となるように配された直進ジョイントを駆動することにより、前記エンドエフェクタの三次元位置を調整する垂直多関節ロボットの位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直多関節ロボットのエンドエフェクタの位置決め方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用の多関節ロボットとして、水平多関節ロボット（例えば、特許文献１参照）や、垂直多関節ロボット（例えば、特許文献２参照）が知られている。水平多関節ロボットは、垂直方向の剛性が高く、エンドエフェクタの高精度な位置決めが可能であるが、可動範囲が狭いため動作が制限される。一方、垂直多関節ロボットは、可動範囲が広く、様々な動作を行うことができるが、垂直方向の剛性が低いため、エンドエフェクタの高精度な位置決めが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２６６２５２号公報
【特許文献２】特開平１１−１１５８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水平多関節ロボットと垂直多関節ロボットは、それぞれ上記のようなメリット・デメリットを有するため、例えば多様な動作が必要な工程には垂直多関節ロボットを設け、エンドエフェクタの高精度な位置決めが必要な工程には水平多関節ロボットを設けることが理想的である。しかし、上記のように、各工程の作業に応じて異なるロボットを設けると、設備コストが高騰する。
【０００５】
例えば、垂直多関節ロボットのリンクやジョイントを構成する各部品を高精度に加工すれば、エンドエフェクタの位置決め精度を高めることができる。しかし、各部品を高精度に加工すると、加工コストが高騰する。
【０００６】
以上のような事情から、本発明の解決すべき技術的課題は、コスト高を招くことなく、垂直多関節ロボットのエンドエフェクタの位置決め精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、複数の回転ジョイント、及び、直進ジョイントを有する多関節アームと、前記多関節アームの先端に設けられたエンドエフェクタとを備えた垂直多関節ロボットの位置決め方法であって、回転軸が鉛直方向と交差する方向となるように配された回転ジョイントを固定した状態で、回転軸が鉛直方向となるように配された他の回転ジョイント、及び、直進軸が水平方向と交差する方向となるように配された直進ジョイントを駆動することにより、前記エンドエフェクタの三次元位置を調整する垂直多関節ロボットの位置決め方法を提供する。
【０００８】
多関節アームに設けられた複数の回転ジョイントのうち、回転軸が鉛直方向と交差する方向に配された回転ジョイント（非鉛直軸回転ジョイント）は、エンドエフェクタを鉛直方向に変位させながら回転するため、回転精度が重力の影響を受けやすい。一方、回転軸が鉛直方向に配された回転ジョイント（鉛直軸回転ジョイント）は、エンドエフェクタを鉛直方向で変位させずに水平面内で移動させるため、回転精度が重力の影響を受けにくい。本発明者らは、この点に着目し、重力の影響を受けやすい非鉛直軸回転ジョイントを固定した状態で、重力の影響を受けにくい鉛直軸回転ジョイントと、直進軸が水平方向と交差する方向（例えば鉛直方向）となるように配された直進ジョイントとを駆動することにより、垂直多関節ロボットを疑似的に水平多関節ロボットとして駆動するようにした。垂直多関節ロボットは、複数の回転ジョイントを駆動することでエンドエフェクタを自在に動かすことができることを特徴とするものであるが、本発明では、敢えて一部の回転ジョイントを固定して垂直多関節ロボットの動作を制限することで、重力の影響による回転ジョイントの回転精度の低下を防止して、エンドエフェクタの位置決め精度を高めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、垂直多関節ロボットを、疑似的に水平多関節ロボットとして使用することで、コスト高を招くことなく、エンドエフェクタを高精度に位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】垂直多関節ロボットを模式的に示す側面図である。
【図２】上記垂直多関節ロボットを屈曲させた状態を示す側面図である。
【図３】図２の状態の垂直多関節ロボットを疑似的に表す水平多関節ロボットの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
本実施形態の垂直多関節ロボット１は、図１に示すように、基端（図中下端）が固定された多関節アーム２と、多関節アーム２の先端（図中上端）に取り付けられたエンドエフェクタ３とを備える。エンドエフェクタ３としては、例えば、ワークを保持するハンド部、ワークに当接してワークの位置を微調整する位置決め部材、ワークに溶接を施す溶接部、あるいはボルトを締結するナットランナ等が設けられる。
【００１３】
多関節アーム２は、複数のリンク４と、隣接する二つのリンク４の間に設けられた複数のジョイントとを有する。本実施形態の多関節アーム２には、ジョイントとして、二つのリンク４を回転軸周りに互いに回転させる回転ジョイントと、鉛直方向の昇降軸を有する直進ジョイント３０が設けられる。図示例では、多関節アーム２に、７個の回転ジョイント及び１個の直進ジョイント３０の、合計８個のジョイントが設けられる（すなわち、８軸の自由度を有する）。
【００１４】
回転ジョイントとしては、二つのリンク４を屈曲させる屈曲ジョイント１１〜１３と、同軸上に配された二つのリンク４をねじるように相対回転させるねじりジョイント２１〜２４とが設けられる。本実施形態では、回転ジョイントとして、多関節アーム２の基端側から順に、第１ねじりジョイント２１、第１屈曲ジョイント１１、第２ねじりジョイント２２、第２屈曲ジョイント１２、第３ねじりジョイント２３、第３屈曲ジョイント１３、及び第４ねじりジョイント２４が設けられる。
【００１５】
直進ジョイント３０は、例えばボールねじ機構やラックピニオン機構により、その両側に設けられたリンク４を直線的に互いに平行移動させるものである。図示例の直進ジョイントは、同軸上に配された両側のリンク４を、両リンク４と平行な直進軸方向に相対移動させるものである。本実施形態の直進ジョイント３０は、多関節アーム２に設けられた複数のジョイントのうち、最も基端側のジョイントとして設けられ、直進ジョイント３０の基端側は、固定されたリンク４に連結されている。このため、直進ジョイント３０の直進軸は、水平方向と交差する方向、具体的には鉛直方向で固定されている。直進ジョイント３０を駆動すると、多関節アーム２のうち、直進ジョイント３０よりも先端側の部分全体が、固定された基端側のリンク４に対して直進軸方向（図示例では鉛直方向）に平行移動する。
【００１６】
以下、上記の垂直多関節ロボット１のエンドエフェクタ３を所定の位置に位置決めする方法を説明する。
【００１７】
まず、垂直多関節ロボット１の各回転ジョイントを回転させて、図２に示すように、第２屈曲ジョイント１２の回転軸が鉛直方向となるようにする。図示例では、第１屈曲ジョイント１１及び第３屈曲ジョイント１３の両側のリンク４を９０°屈曲させた状態で、第２ねじりジョイント２２及び第３ねじりジョイント２３を回転させることにより、第２屈曲ジョイント１２及び第４ねじりジョイント２４の回転軸を鉛直方向とする。これにより、第１屈曲ジョイント１１、第２ねじりジョイント２２、第３ねじりジョイント２３、第３屈曲ジョイント１３は、回転軸が鉛直方向と交差する方向（本実施形態では水平方向）となるように配される（これらの回転ジョイントを、水平軸回転ジョイントと言う）。一方、第１ねじりジョイント２１、第２屈曲ジョイント１２、第４ねじりジョイント２４は、回転軸が鉛直方向となるように配される（これらの回転ジョイントを、鉛直軸回転ジョイントと言う）。
【００１８】
この状態で、水平軸回転ジョイント１１、２２、２３、１３を固定する（図２では、固定された回転ジョイントの符号には（Ｆ）を付している）。水平軸回転ジョイント１１、２２、２３、１３を固定する方法としては、例えば各ジョイントにもともと設けられているブレーキで回転を規制する方法や、各ジョイントに回転方向で係合するピン等の係止部材を差し込んで回転を規制する方法等を採用することができる。
【００１９】
こうして水平軸回転ジョイント１１、２２、２３、１３を固定した状態で、鉛直軸回転ジョイント２１、１２、２４及び直進ジョイント３０のみを駆動することにより、エンドエフェクタ３を所定の位置まで移動させる。このとき、垂直多関節ロボット１は、疑似的に、図３に示すような第１水平リンク４１及び第２水平リンク４２を備えた水平多関節ロボット１’として駆動される。この水平多関節ロボット１’において、第１水平リンク４１の基端は、垂直リンク４３を介して第１ねじりジョイント２１に連結され、第１水平リンク４１の先端は第２屈曲ジョイント１２に連結される。第２水平リンク４２の基端は第２屈曲ジョイント１２に連結され、第２水平リンク４２の先端は、垂直リンク４４を介して第４ねじりジョイント２４に連結される。第１ねじりジョイント２１を駆動すると、第１ねじりジョイント２１の回転軸を中心に第１水平リンク４１が水平面内で回転する。第２屈曲ジョイント１２を駆動すると、第１水平リンク４１と第２水平リンク４２とが水平面内で屈曲する。従って、第１ねじりジョイント２１及び第２屈曲ジョイント１２により、エンドエフェクタ３を、両水平リンク４１，４２の可動範囲内で任意の水平方向位置に配置することができる。
【００２０】
また、直進ジョイント３０を駆動することで、エンドエフェクタ３を鉛直方向に変位させることができる。従って、第１ねじりジョイント２１、第２屈曲ジョイント１２、及び直進ジョイント３０を駆動することで、エンドエフェクタ３を所定の三次元位置に配置することができる。
【００２１】
また、本実施形態では、第４ねじりジョイント２４が、回転軸が鉛直方向となるように配され、この回転軸の延長線上にエンドエフェクタ３が配されている。この第４ねじりジョイント２４を駆動することで、第４ねじりジョイント２４の回転軸周りにエンドエフェクタ３をその場で回転させることができる。
【００２２】
水平軸回転ジョイント１１、２２、２３、１３は、エンドエフェクタ３を鉛直方向で変位させるものであるため、エンドエフェクタ３の自重等により回転角が変位する恐れがある。従って、上記のように水平軸回転ジョイント１１、２２、２３、１３を固定することで、重力の影響でこれらの回転ジョイントの回転角が変位する事態を防止できる。
【００２３】
一方、鉛直軸回転ジョイント２１、１２、２４は、エンドエフェクタ３を水平面内で回転させるものであるため、エンドエフェクタ３の自重等により回転角が変位することはほとんどない。また、直進ジョイント３０は、回転ジョイントと比べて重力の影響を受けにくく、特に、ボールねじ機構やラックピニオン機構のような倍力機構を有する場合、エンドエフェクタ３の自重等により直進軸方向に変位することはほとんどない。このように、重力の影響を受けにくい鉛直軸回転ジョイント２１、１２、２４及び直進ジョイント３０を駆動し、垂直多関節ロボット１を疑似的に水平多関節ロボット１’として駆動することで、エンドエフェクタ３の自重等による位置ずれを防止できる。すなわち、多様な動作が可能な垂直多関節ロボット１において、敢えて一部の回転ジョイントを固定して動作を制限することで、重力による回転ジョイントの回転を防止して、エンドエフェクタ３の位置決め精度を高めることができる。
【００２４】
上記のような垂直多関節ロボット１のエンドエフェクタ３の位置決め方法は、以下のようなワークＷの位置補正に適用することができる。
【００２５】
まず、他の垂直多関節ロボットでピックアップしたワークＷを所定位置に配置する。このワークＷに対して、上記の垂直多関節ロボット１を駆動してエンドエフェクタ３（位置決め部材）を所定の位置に配置し、エンドエフェクタ３をワークＷに当接させる。そして、エンドエフェクタ３が、予め設定された所定位置に正確に配置されているか否かを確認する。例えば、図示しない座標取得手段により、所定位置に移動させたエンドエフェクタ３の座標（三次元位置及び姿勢）を取得する。こうして取得したエンドエフェクタ３の実際の座標と、予め設定されたエンドエフェクタ３の正規の位置の座標（基準座標）とを比較する。
【００２６】
そして、エンドエフェクタ３の実際の座標と基準座標との差が許容範囲内であれば、エンドエフェクタ３が所定位置に正確に配置されており、ワークＷが正しく配置されていると判定される。一方、エンドエフェクタ３の実際の座標と基準座標との差が許容範囲を超えていれば、エンドエフェクタ３が所定位置に正確に配置されていないと判定され、エンドエフェクタ３の位置が補正される。具体的には、エンドエフェクタ３の基準座標に対する実際の座標のずれの大きさや方向が算出され、この算出値に基づいて垂直多関節ロボット１が駆動され、エンドエフェクタ３の三次元位置が補正される。
【００２７】
このとき、補正のためのエンドエフェクタ３の移動量はわずかであることが多いが、垂直多関節ロボット１でこのような微小な位置補正を行うことは容易ではない。本実施形態では、上記のように、多関節アーム２のジョイントのうち、水平軸回転ジョイント１１、２２、２３、１３を固定し、鉛直軸回転ジョイント２１、１２、２４及び直進ジョイント３０のみを駆動することで、エンドエフェクタ３を高精度に移動させることができる。これにより、エンドエフェクタ３の微小な位置修正が可能となり、ワークＷを正規の位置に高精度に配置することができる。
【００２８】
上記のような垂直多関節ロボット１の位置決め方法は、複数のワークを接合する組立工程（例えば自動車のパネル部品（サイドパネル、ルーフパネル、ドアパネル等）の組立工程）に適用することができる。
【００２９】
自動車のパネル部品のような比較的大型の部品を組み立てる場合、所定の位置に正確に配置した大型のワークに対して他のワークを接合する必要があるが、大型のワークを所定の位置に正確に配置することは容易ではない。このため、通常、自動車のパネル部品の組立工程では、複数のワークを組み合わせた状態で相互に位置決めする専用の治具が用いられることが多い。これに対し、上記のような垂直多関節ロボット１を用いた位置決め方法によれば、大型のワークを正規の組み付け位置に正確に配置することができるため、位置決め用の治具を用いることなく両ワークを正確に組み合わせることができる。こうして治具が不要となることで、コストが低減されると共に、組立設備の汎用性が向上する。
【００３０】
本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、回転軸が水平方向となるように配された回転ジョイントを固定した場合を示したが、これに限らず、一部の回転ジョイントを、回転軸が水平方向及び鉛直方向に対して傾斜するように配し、この状態で当該回転ジョイントを固定してもよい。具体的には、例えば第３ねじりジョイント２３を駆動することにより、第３屈曲ジョイント１３の回転軸を水平方向及び鉛直方向に対して傾斜した方向とし、この状態で両回転ジョイント２３，１３を固定してもよい。
【００３１】
また、エンドエフェクタ３の種類は上記に限らず、例えばエンドエフェクタ３に回転軸やカム機構を設けることで、エンドエフェクタ３を傾斜可能（すなわち、鉛直方向と交差する方向の回転軸周りに回転可能）としてもよい。
【００３２】
また、垂直多関節ロボット１の構成は上記に限らず、多関節アーム２に設けられるジョイントの数、種類、配置等を適宜変更してもよい。例えば、上記の実施形態では、直進ジョイント３０が、複数のジョイントのうち、最も基端側のジョイントとして設けられた場合を示したが、これに限らず、例えば、複数の回転ジョイントの間に直進ジョイント３０を設けてもよい。この場合、直進ジョイント３０を、直進軸が鉛直方向となるように配された状態で駆動する他、直進軸が水平方向及び鉛直方向に対して傾斜した方向となるように配された状態で駆動してもよい。
【００３３】
また、垂直多関節ロボット１に設けられるジョイントの数は８個に限らず、９個以上、あるいは７個以下としてもよい。また、回転ジョイントの数は７個に限らず、８個以上、あるいは６個以下としてもよい。また、直進ジョイントの数は１個に限らず、２個以上としてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１     垂直多関節ロボット
１’   水平多関節ロボット
２     多関節アーム
３     エンドエフェクタ
４     リンク
１１〜１３    屈曲ジョイント（回転ジョイント）
２１〜２４    ねじりジョイント（回転ジョイント）
３０   直進ジョイント
【図１】
2017007065.tif 000003
【図２】
2017007065.tif 000004
【図３】
2017007065.tif 000005