JPH07290379A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】任意の方向から任意の角度でワークを連続的に
アクセスすることができるようにする。 【構成】回転するリング状フレームに複数の軸を有する
多関節ロボットを取付け、これらリング状フレーム及び
ロボットの複数の軸を同時制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はロボット装置に関し、
特にＨ型鋼や角パイプなどのワークをその周囲から切
断、穴開け、開先などの加工を行うためのロボット装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、多関節ロボットは、各アームを
金属性角パイプ等を材料とした関節によって直接連結し
たリンク状の構成となっている。このようなロボットに
てＨ鋼等の鋼材を加工する際には、鋼材の複数の面にア
クセスするために、切断用工具を取り付けた２台のロボ
ットを鋼材の幅方向の両側に配置して加工を行うか、天
井に取付けた走行軸にロボットを配設するなどの手法が
一般的である。

【０００３】しかし、２台のロボットを使用する方法で
は、設置面積、コスト、ロボット同士の干渉などの面で
問題があり、また天井に走行軸を取り付ける方法では、
ワークを下面方向から加工することは困難であり、また
充分な精度や加工ワークの大きさ確保するためには天井
走行軸はかなり大がかりなものとなってしまう。

【０００４】そこで、 特開平１−８８２８７号公報に
記載の技術では、直方体状の電子機器の４面に設けられ
ている回転制御素子の調整操作を行うロボットにおい
て、適当な支持手段によって支持された電子機器などの
対象物体の回りに、回転かつ前後方向への移動が可能な
リング状部材を配設するとともに、このリング状部材に
ドライバなどのツールが取り付けられたハンドを設け、
このハンドをリング状部材の接線方向及び法線方向に移
動可能なようにしている。

【０００５】また、特開平５−７７０７８号公報におい
ては、Ｈ鋼が載置されるベルトコンベアに門型フレーム
を跨って設けるとともに、該門型フレームにレーザ加工
ヘッドを配設し、前記レーザ加工ヘッドをＸ−Ｙ−Ｚ方
向へ移動自在に構成し、かつ前記レーザ加工ヘッド先端
をＨ鋼の長手方向、高さ方向及び幅方向に指向すべく揺
動自在に構成するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平１−８８２
８７号公報に記載の技術では、ワーク全周の各面にアク
セス可能であるがツールの姿勢制御が行われていないの
で、ツールの角度を任意にかつ連続的に変化させること
はできない。

【０００７】また、上記特開平５−７７０７８号公報に
記載の技術においては、門型フレームを用いているの
で、ワークの下方からアクセスすることはできず、例え
ば角パイプの切断のようにワークの全周を連続的に加工
する必要のある加工には適用できない。また、この従来
技術では、複数の面に対してツールの角度を任意に変化
させつつ、連続的にアクセスできないという欠点があ
る。

【０００８】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、広い移動範囲をもって、任意の方向から任意
の角度でワークに対して連続的にアクセスすることがで
きるロボット装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明では、中心軸の
回りに回転するリング状のフレームと、このリング状フ
レームに取り付けられ、複数の回転軸または移動軸を有
するロボットと、これらリング状フレームおよびロボッ
トの複数の軸を同時に駆動制御してロボットの先端の位
置及び姿勢を制御する制御手段とを具えるようにしてい
る。

【００１０】

【作用】かかる発明によれば、回転するリング状フレー
ムに複数の軸を有する多関節ロボットを取付け、これら
リング状フレーム及びロボットの複数の軸を同時制御す
るようにしている。

【００１１】

【実施例】以下この発明を添付図面に示す実施例に従っ
て詳細に説明する。

【００１２】図２は、この発明にかかるロボット装置が
取り付けられた型鋼加工システムを示すもので、この実
施例では本発明に係るロボット装置を型鋼を熱加工して
切断、穴開け、開先加工する型鋼加工機１として用いる
ようにしている。

【００１３】図２において、１はロボットアーム先端に
プラズマトーチなどの熱加工ヘッドが取り付けられた型
鋼加工機、２はワーク３を搬送するワークテーブルとし
てのローラコンベア、３は角パイプ鋼，アングル鋼，Ｃ
型鋼などのワーク、４はワークの寸法を測定する原寸測
定器、５はワーク移載機構、６は集塵機、７はプラズマ
電源、８はコントローラである。

【００１４】ローラコンベア２においては、型鋼加工機
１の熱加工ヘッドからの熱流との干渉、ロボット装置各
部との干渉、切断廃材の搬出等のため、熱加工時には、
型鋼加工機１の近辺が下側に退避できるようになってい
る。

【００１５】ワーク３はワーク移載機構５に載置された
後、Ｘ方向に移動されてローラコンベア２上に移載され
る。ローラコンベア２上に載置されたワーク３は、図示
しない適宜の構成によってＹ方向に移動された後、Ｘ−
Ｙ方向に位置決めされることにより所定の加工位置に位
置される。

【００１６】型鋼加工機１はその詳細については後述す
るが、ローラコンベア２を囲繞するように配設されたリ
ング状フレーム１０に少なくとも４軸を有するロボット
が取り付けられており、リング状フレーム１０及びロボ
ットの各軸の回転又は移動によりその熱加工ヘッド先端
を任意の位置、姿勢に制御する。型鋼加工機１の位置及
び姿勢制御はコントローラ８によって行われている。な
お、リング状フレーム１０の径は、リング状フレーム１
０の回転により該フレーム１０とローラコンベア２また
はワーク３とが干渉しないように決定する。

【００１７】上記型鋼加工機１によってＹ方向について
の同一位置の加工が終了すると、ローラコンベア２によ
ってワーク３をＹ方向に搬送して、前記と同様にワーク
を次の加工位置に位置決めした後に熱加工を行う。この
ような処理を繰り返し実行する。

【００１８】図１、図３及び図４は、型鋼加工機１の第
１の実施例を示すもので、リング状フレーム１０に４軸
の多関節ロボット２０が取り付けられている。リング状
フレーム１０は回転（図３のθ2）かつ旋回駆動（図３
のθ1）されるので、本型鋼加工機１は、４軸の多関節
ロボット２０と合わせて、６軸を有している。

【００１９】リング状フレーム１０は、図３に示すよう
に、フレーム面Ｓ2にその円周面が設定されるように配
設されている。フレーム面Ｓ2は、型鋼加工機１が設置
される面（これを基準面という）Ｓ1およびワーク３の
搬送方向Ｙ0に対し垂直に配設されている。

【００２０】リング状フレーム１０の中心軸ｃは、フレ
ーム面Ｓ2に対し垂直で、基準面Ｓ1に対し平行に設定さ
れている。このリング状フレーム１０は、モータやギア
などで構成される回転機構１１によって前記中心軸ｃ回
りに回転駆動される。その回転角をθ2とする。

【００２１】また、リング状フレーム１０は、該フレー
ム１０を旋回する旋回軸１２に接続され、該旋回軸１２
を回転駆動する回転機構１３によって任意の角度θ1
（図３参照）だけ旋回されるようになっている。図３に
破線で示すフレーム面Ｓ2´は、初期状態のフレーム面
Ｓ2が角度θ1だけ旋回された面である。すなわち、リン
グ状フレーム１０の中心軸ｃは、基準面Ｓ1に対しては
常に平行であるが、回転機構１３による旋回によってワ
ーク搬送方向Ｙ0に対し任意角度θ1だけその方向を変化
させることができる。

【００２２】なお、図１のように、旋回軸１２の位置が
リング状フレーム１０のセンター位置ではなく、Ｘ方向
にオフセットしている場合は、旋回軸１２のみで加工機
全体の重量を支持するのは剛性上困難な場合もあり得る
ので、円弧状の支持ガイドレール１４を床面に設置し、
このレール１４によってフレーム１０を反対側から支持
し、該レール１４に沿ってリング状フレーム１０を旋回
させればよい。

【００２３】リング状フレーム１０としては、例えば、
リング形状のスゥィングサークルをリング状フレームの
内周面に取り付けたもの、あるいはリング状のフレーム
の内周面にガイドレールやラックを設けたものなどが考
えられる。

【００２４】多関節ロボット２０は、その基体部２１が
リング状フレーム１０の回転部分のの所定位置に取り付
けられ、軸２２を中心に任意角度θ3だけ回転可能なよ
うに構成されている。回転軸２２は、リング状フレーム
１０の中心軸ｃに対し平行に配設されている。

【００２５】多関節ロボット２０の残りの３軸は通常の
ロボットアームと同様の関節構成であり、図３に示した
方向に配置されて任意角度θ4〜θ6だけそれぞれ回転す
る３つの回転軸２３、２４、２５を備えており、その先
端にプラズマトーチなどの熱加工ヘッド２６が取り付け
られている。この場合、多関節ロボット２０の軸数は、
前述したように、基体部２１も含めて４つである。

【００２６】なお、基体部２１の長さｄ7を適当に設定
することにより、リング状フレーム１０と、ロボット２
０の各部との干渉を避けることができる。

【００２７】かかる軸構成において、コントローラ８
は、熱加工ヘッド２６を所定の位置及び姿勢に制御する
べく、全ての６軸を同時に駆動制御する。

【００２８】ここで、各部の寸法及び各軸の角度を図３
及び図４に示すように設定すると、各軸およびツール先
端の座標変換式は《式１》のようになる。なお、明細書
中の式は全て明細書の最後に列記した。

【００２９】ツール先端の位置及び姿勢をＰBとする
と、ＰBと上記座標変換式１との関係は《式２》のよう
になる。

【００３０】このようにして、ツール先端の位置、姿勢
ＰBが求められると、これを《式３》〜《式５》のよう
にして各軸の角度θ1〜θ6に変換することにより、各軸
に対する指令値θ1〜θ6が求められる。

【００３１】なお、《式３》〜《式５》において、各記
号は以下のように定義される。

【００３２】Ｐw，ＰBは、それぞれ手首つけ根およびツ
ール先端のベース座標系から見た位置，姿勢を表す行列
で、ａw＝（ａwx，ａwy，ａwz），ａ＝（ａx，ａy，ａ
z）はそれぞれ、手首つけ根及びツール先端の接近ベク
トル、ｏw＝（ｏwx，ｏwy，ｏwz）、ｏ＝（ｏx，ｏy，
ｏz）はそれぞれ手首つけ根及びツール先端の方向ベク
トル、ｎw＝（ｎwx，ｎwy，ｎwz）、ｎ＝（ｎx，ｎy，
ｎz）はそれぞれ３本のベクトルが右手系をなすように
とられた法線ベクトルである（ｎw=ｏw×ａw，ｎ=ｏ×
ａ）。

【００３３】また、ｐw＝（ｐwx，ｐwy，ｐwz）は手首
つけ根の位置ベクトル、ｐ＝（ｐx，ｐy，ｐz）は、ツ
ール先端の位置ベクトルである。

【００３４】以上を図示すると、図５のようになる。

【００３５】次に、図６および図７に型鋼加工機１の第
２の実施例を示す。

【００３６】この第２実施例においては、リング状フレ
ーム１０に取り付けられるロボットを５軸多関節ロボッ
トとするとともに、リング状フレーム１０の旋回軸３１
を基本的には固定としている。

【００３７】すなわち、本第２実施例はワークの搬送方
向に大きな動作範囲が必要でない場合に適用されるべき
もので、大きな負荷となる旋回軸３１によるリング状フ
レーム１０の旋回をなくし、ロボットを５軸多関節ロボ
ットとすることにより、位置決め精度および動作速度を
向上させるようにしている。

【００３８】図７にその軸構成の詳細を示すが、回転角
度をθ1とする旋回用の第１軸３１はその角度θ1を、例
えば切断角に一致させるなどして一定角に固定させる。
これ以外の６軸３２〜３７（回転角θ2〜θ7）は、コン
トローラ８によって同時に駆動制御される。

【００３９】ここで、各部の寸法及び各軸の角度を図７
に示すように設定すると、各軸およびツール先端の座標
変換式は《式６》のようになる。

【００４０】ツール先端の位置及び姿勢をＰBとする
と、ＰBと上記座標変換式６との関係は《式７》のよう
になる。

【００４１】上記のようにして、ツール先端の位置、姿
勢ＰBが求められると、これを《式８》〜《式１０》の
ようにして各軸の角度θ2〜θ7に変換することにより、
各軸に対する指令値θ2〜θ7が求められる。

【００４２】なお、《式８》において、Ｐwがベース座
標系から見た手首つけ根の位置、姿勢を表す行列である
のに対して、Ｐw´は１軸の座標系から見た手首つけ根
の位置、姿勢を表す行列である。

【００４３】図８および図９に型鋼加工機１の第３の実
施例を示す。

【００４４】この第３実施例においては、第２実施例と
同様、リング状フレーム１０に取り付けられるロボット
を５軸多関節ロボットとするとともに、リング状フレー
ム１０の旋回軸３１を基本的には固定としている。

【００４５】すなわち、本第３実施例もワークの搬送方
向に大きな動作範囲が必要でない場合に適用されるべき
もので、大きな負荷となる旋回軸３１によるリング状フ
レーム１０の旋回をなくし、ロボットを５軸多関節ロボ
ットとすることにより、位置決め精度および動作速度を
向上させるようにしている。

【００４６】図９にその軸構成の詳細を示すが、第１軸
６１（旋回軸θ0）は所定の角度に固定とし、第２軸６
２〜第７軸６７（θ1〜θ6）をコントローラ８による制
御によって同時駆動することによりトーチ先端の位置及
び姿勢を制御する。

【００４７】本第３実施例と第２実施例との違いは、５
軸多関節ロボットの第３軸６３及び第４軸６４の取り付
け方のみである。

【００４８】ここで、各部の寸法及び各軸の角度を図９
に示すように設定すると、各軸およびツール先端の座標
変換式は《式１１》のようになる。

【００４９】ツール先端の位置及び姿勢をＰBとする
と、ＰBと上記座標変換式１１との関係は《式１２》の
ようになる。

【００５０】上記のようにして、ツール先端の位置、姿
勢ＰBが求められると、これを《式１３》〜《式１５》
のようにして各軸の角度θ1〜θ6に変換することによ
り、各軸に対する指令値θ1〜θ6が求められる。

【００５１】図１０および図１１に型鋼加工機１の第４
の実施例を示す。

【００５２】この第４実施例においては、先の第２実施
例同様リング状フレームの旋回軸を基本的には固定とす
るとともに、リング状フレーム１０に取り付けられるロ
ボットの基体部２１をフレーム１０の軸心方向すなわち
ワーク搬送方向（矢印Ｆ方向）に対してスライド自在な
構成とし、この基体部２１に対し先の第１の実施例と同
様の４軸多関節ロボットを配設するようにしている。

【００５３】すなわち、第１１図において、第１軸（旋
回軸）４１は所定角度に固定とし、第２軸４２〜第７軸
４７（θ2〜θ7）をコントローラ８による制御によって
同時駆動することでトーチ先端の位置及び姿勢を制御す
る。

【００５４】この第４実施例において、指令値を求める
式は基本的には前述と同様であり、その開示を便宜上省
略する。

【００５５】図１２および図１３に型鋼加工機１の第５
の実施例を示す。

【００５６】この第５実施例においては、先の第２〜第
４実施例同様リング状フレーム１０の旋回軸５０を基本
的には固定とするとともに、リング状フレーム１０に取
り付けられるロボットの基体部２１をフレーム１０の半
径方向（矢印Ｇ方向）に対してスライド自在な構成と
し、この基体部２１に対し先の第１の実施例と同様の４
軸多関節ロボットを配設するようにしている。

【００５７】すなわち、第１３図において、第１軸（旋
回軸θ0）５０は所定角度に固定とし、第２軸５１〜第
７軸５６（θ1〜θ6）をコントローラ８による制御によ
って同時駆動することでトーチ先端の位置及び姿勢を制
御する。

【００５８】ここで、各部の寸法及び各軸の角度を図１
３に示すように設定すると、各軸およびツール先端の座
標変換式は《式１６》 ツール先端の位置及び姿勢をＰBとすると、ＰBと上記座
標変換式１６との関係は《式１７》のようになる。

【００５９】上記のようにして、ツール先端の位置、姿
勢ＰBが求められると、これを《式１８》〜《式２０》
のようにして各軸の角度θ1〜θ6に変換することによ
り、各軸に対する指令値θ1〜θ6が求められる。

【００６０】なお、上記各実施例では、リング状フレー
ム１０をＺ方向に平行な旋回軸によって旋回させるよう
にしたが、リング状フレーム１０をワーク搬送方向に沿
ってスライド移動させるようにしてもよい。

【００６１】また、実施例では、本発明のロボット装置
を型鋼加工機として用いるようにしたが、他の任意の技
術に本発明を適用するようにしてもよい。

【００６２】《式１》 《式２》ＰB＝Ａ1・Ａ2・Ａ3・Ａ4・Ａ5・Ａ6・Ａt 《式３》 《式４》 《式５》 《式６》 《式７》ＰB＝Ａ1・Ａ2・Ａ3・Ａ4・Ａ5・Ａ6・Ａ7・Ａ
t 《式８》 《式９》 《式１０》 《式１１》 《式１２》ＰB＝Ａ1・Ａ2・Ａ3・Ａ4・Ａ5・Ａ6・Ａt 《式１３》 《式１４》 《式１５》 《式１６》 《式１７》ＰB＝Ａ1・Ａ2・Ａ3・Ａ4・Ａ5・Ａ6・Ａt 《式１８》 《式１９》 《式２０》

【００６３】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
回転するリング状フレームに複数の軸を有する多関節ロ
ボットを取付け、これらリング状フレーム及びロボット
の複数の軸を同時制御することによってロボット先端の
位置及び姿勢を制御するようにしたので、ロボット先端
の移動範囲を大きくできると共に、任意の方向から任意
の角度でワークを連続的にアクセスすることができるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例を示す斜視図。

【図２】この発明を適用した型鋼加工システムを示す
図。

【図３】第１実施例の軸構成を示す図。

【図４】第１実施例の各部の寸法を示す図。

【図５】式で用いる各記号を説明する為の図。

【図６】この発明の第２実施例を示す斜視図。

【図７】第２実施例の軸構成を示す図。

【図８】この発明の第３実施例を示す斜視図。

【図９】第３実施例の軸構成を示す図。

【図１０】この発明の第４実施例を示す斜視図。

【図１１】第４実施例の軸構成を示す図。

【図１２】この発明の第５実施例を示す斜視図。

【図１３】第５実施例の軸構成を示す図。

【符号の説明】

１…型鋼加工機 ２…ローラコンベア ３…ワーク ４…原寸測定器、 ５…ワーク移載機構 ６…集塵機 ７…プラズマ電源 ８…コントローラ １０…リング状フレーム

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心軸の回りに回転するリング状のフレー
   ムと、 このリング状フレームに取り付けられ、複数の回転軸ま
   たは移動軸を有するロボットと、 これらリング状フレームおよびロボットの複数の軸を同
   時に駆動制御してロボットの先端の位置及び姿勢を制御
   する制御手段と、 を具えるロボット装置。
2. 【請求項２】前記ロボットは、少なくとも３自由度を有
   するものであり、前記リング状フレームはその中心軸の
   角度を水平方向に変化させる旋回軸を有するものである
   請求項１記載のロボット装置。
3. 【請求項３】前記ロボットは少なくとも４自由度を有す
   るものである請求項１記載のロボット装置。
4. 【請求項４】前記ロボットは、前記リング状フレームに
   対しその中心軸に平行な方向にスライド自在に取り付け
   られるとともに、少なくとも３自由度を有する関節を有
   するものである請求項１記載のロボット装置。
5. 【請求項５】前記ロボットは、前記リング状フレームに
   対しその半径方向にスライド自在に取り付けられととも
   に、少なくとも３自由度を有する関節を有するものであ
   る請求項１記載のロボット装置。