部 品 給 配 ロボ ッ トの 開 発 (第 1 報) * その開発理 念 と基本 的構造
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(2) 1660. 精 密 工 学 会 誌 56/ 9/ 1990. シ ョ ン へ の 部 品 自動 供 給 に は,空. 間 的 に制 約 の あ る ひ. とつ の ワー クステ ー シ ョンにお いて多 種 多数 の部 品の 供 給 を 行 うた め の 問 題 点2)と し て a.. 部 品 の 補 給 配 送 の 計 画 戦 略 ( Logistics ). b.. 部 品 供 給 装 置 の 占 め る空 間 的 な ス ペ ー ス. c.. 立 体 的 な 部 品 供 給 装 置 か らの プ ログ ラ マ ブ ル な 整 列給 送 の技 術. d.. 多 品 種 部 品 の ハ ン ドリン グ に対 応 で き る フ ィ. (a). ンガの開 発 な どの4点. A workstation robot. consisting. of a parts. supplying. が 主 と して 挙 げ られ る.. しか し な が ら,従. 来 の 多 くの 組 立 ロ ボ ッ ト,た と え. ぽ も っ と も 実 用 性 の 高 い ス カ ラ ロ ボ ッ ド)は 組 立 性 に は優 れ て い る が,b,cの. 問 題点 に は本 質 的 に適 応 しに. くい 構 造 を も っ て い た.こ. の よ う な従 来 の 組 立 ロボ ッ. トの 機 能 を補 完 す る こ とを 目的 と し て,本. 研 究 にお け. る給 配 ロ ボ ッ トは 特 徴 あ る機 能 構 造 を も た せ て あ る. こ こ で 給 配 とい うの は 補 給 ・配 送 ・供 給 の意 味 を あ わ せ 持 た せ た 用 語 で あ っ て,部. 品 を 補 給 し,配 送 し,. 整 列 さ れ た 姿 勢 で 供 給 す る こ と を 意 味 し,組 立 セ ル の (b). 周 辺 程 度 の 中 レ ベ ル の 物 流 あ る い は部 品 の 流 れ を 念 頭 に お く と と も に,必. An assembly line with a parts supplying robot Fig.. 1. 然的 に その範 囲 に おけ る部品 の補. 給 配 送 の 計 画 戦 略(Logistics)を. も含 んだ 用 語 で あ. る. す な わ ち,立. 体 性 の あ る部 品 供 給 装 置(た. と え ぽ多. 重 フ ィー ダ や 積 層 マ ガ ジ ン,多 種 多 数 の 部 品 の た め の 通 い 箱 等)3)の 広 範 囲 の 配 置 に 対 応 し 得 る た め に, そ の 骨 格 構 造 と基 本 的 運 動 自 由 度 の 優 先 順 位 を検 討 し, 一 次 的 占 有 空 間(挙 動 空 間)を 極 小(特 に 平 面 図 に お い て)に. し な が ら,さ. ら に 水 平 移 動 機 構 に よ っ て広 い. 可 動 範 囲 を 持 た せ て あ る.こ れ は 多 品 種 大 量 生 産 に対 応 し得 る よ うに 広 範 囲 へ 配 置 さ れ た パ ー ッ トレ イ あ る い は 通 い 箱 へ の ア ク セ ス が 可 能 と な る こ と を も考 慮 し た もの で あ る。 Fig.. 3. 3.1. Fundamental robot. structure. of. parts. supplying. 部 品 給 配 ロボ ッ ト を含 む シ ス テ ム の 構 成 例 1)垂. 現 実 の 三 次 元 部 品 供 給 装 置 と組 付 け ス テ ー シ ョ ン の 大 き さ を 考 え た 上 で,多. シ ョ ン例 を 図1(a)に が 図1(b)に. 示 す.ま. た,組. ダ の よ う な立 体 的 構 造 の 部 品 供 給 装 置 に対 応 で き る よ. テー. 立 ラ イ ンの一例. うに,上. 示 され て い る.. 下 方 向 の 運 動 に 自 由度 の 大 き い構 造 を選 ぶ 必. 要 が あ る.そ. こ の よ うな 部 品 給 配 ロ ボ ッ トの 目的 とす る作 業 を考 察 し,動 作 形 態 と 必 要 な 自 由 度 を 検 討 した 上 で,以. 直多 関節型 の基 本構造. 多 段 ・多 重 式 振 動 フ ィ ー ダや 積 層 型 マ ガ ジ ン フ ィ ー. 段 ・多 重 式 振 動 フ ィ ー ダ と部. 品 給 配 ロ ボ ッ トか ら 構 成 さ れ た シ ス テ ム の1ス. し て4自. こ で,部. 品 給 配 ロボ ッ トの 基 本 的 骨 格 と. 由 度 の 垂 直 多 関 節 型 の 構 造(図2)を. 採 用. し,立 体 的 に 積 層 さ れ た 部 品 の ハ ン ド リン グ に 適 す る. 下. よ うな構 造 と し た.基. の よ う に機 構 設 計 を 行 った. 3.2. 2. 部 品 給 配 ロボ ッ トの 機 能 と構 造. 本 的 に は主 軸 の 回 転 は 与 え ない. 立 体 的 部 品 供 給 装 置 に対 応 す るハ ン ド リ ン グ. 構造 と し(補. 機 能 を持 た せ る 機 構 設 計. 平 面 内 の み で 行 わ れ るた め 水 平 面 へ の 投 影 図 に お い て 90. 助 的 に は 回 転 し得 る),作. 業 挙 動 は垂 直.
(3) 李 ・神 谷 ・岡 部 ・横 山 ・戸 上: 部 品給 配 ロ ボ ッ トの開 発. 1661. (第 1 報). る よ う に設 計 した の で,極. め て能 率の よい機構 が得 ら. れ た. 3.3. 部 品 給 配 の た め の構 造 設 計. 本 研 究 の 部 品 給 配 方 式(次 の 第2ア. ー ム と第3ア. 章 参 照)で. は,ロ. ボッ ト. ー ムは基本 的 に垂直 平面 内のみ. に お い て 作 動 す る。 し か も,第2関. 節 と第3関. 節はそ. れ ぞ れ 逆 方 向 に 回 転 す る こ とが 多 い の で,両. アー ムは. 重 な っ て 交 差 す る こ と が あ る.そ. 計 にお い. の た め,設. て は,次. の よ うな 配 慮 が 必 要 と な る.す. 第2,3ア. ー ム は 相 互 に衝 突 し な い よ うに 両 ア ー ム を結. 一 次 的 に 占有 す る ス ペ ー ス を 最 小 に す る こ と が で き. ぶ 第3関. 節 に オ フ セ ッ トを と らな け れ ば な ら な い( 図. る.. 2参 照).ま. Fig.. 3. Balanced. robot. arm. structure. 場 合,ロ. 2) 水 平 直 線 移 動 機 能 を持 つ 構 造 一次 的 作 業 空 間 は極 小 で あ っ て も ,フ. た(b)図2の. な わ ち,(. a). よ うに オ フ セ ッ トを と っ た. ボ ッ トハ ン ドが 支 柱 と衝 突 し な い よ うに ア ー. ム 構造 の設 計 に 注 意 を 要 す る.. レキシ ブル な. 生産 に対 応 し て ワ ー ク ス テ ー シ ョン の 間 の 移 動 や 広 範. 4.. 最 適 部 品 給 配 方 式 に 関 す る考 察. 囲にわ た っ て配 置 さ れ た 多 種 多 数 の 部 品 の ハ ン ド リン グのた め に,広. 4.1. 範 囲 に わ た る作 業 空 間 を 満 足 させ るた. させ る構 造 と した.こ. の 自 由度(第1関. 節)は. 部 品 給 配 方 式 の 考 え方. 図1に. めに2次 的 な移 動 機 能 と し て 水 平 方 向 に 直 線 的 に 移 動. 示 す よ うな 自動 組 立 シ ス テ ム に お い て 積 層 さ. れ た 部 品 供 給 装 置 の あ る 層 のA点. 垂 直多. 関節 構 造 部 と は 完 全 に 独 立 な 運 動 自 由 度 を も っ て い. シ ョン のB点. る.. す る.こ PTP運. 必要 に応 じて この 移 動 方 向 は ラ イ ン と平 行 あ る い は. か ら組 付 け ス テ ー. まで の部 品給 配 作 業 を 考 察 す る こ とに. の よ うな 作 業 は ロ ボ ッ トの 制 御 か ら 見 る と 動 と な っ て お り,単 にA点. とB点. の位 置 決 め. だ け を 制 御 す る こ とが 必 要 で あ り,途 中 の 経 路 は 問 題. 垂 直 な方 向 に 設 定 し て 多 品 種 部 品 の 供 給 に 対 応 し得 る よ うに設 計 で き る 。 い わ ゆ る キ ッ ト方 式 は も ち ろ ん 配. に さ れ な い.し. 膳方 式 や 部 品 拾 集 方 式 の 組 立 シ ス テ ム に も対 応 し得 る. 点 の 間 に無 数 の移 動 パ スが存 在 して い る こ と がわ か. 構造 に な っ て い る.. る.普. 3). 把持 部品 の姿勢保 持機 能. ン ドがA点. れ ぽ な ら な い が,本. の姿勢は. か ら 出 発 し て,主. 軸胴 関. 度 回 転 しな け. 研 究 の 部 品 給 配 ロ ボ ッ トで は, 回. 転 主 軸 関 節 を設 けず に,肩. か し,整 列 さ れ. と B. 通 の垂 直 多 関 節 型 ロ ボ ッ トで 部 品 給 配 作 業 を 行. う とす れ ぽ,ハ. アー ム の 運 動 に 依 存 して 変 化 す る.し. 元 空 間 内 のA点. 節 が ほ と ん ど 水 平 面 内 に お い て180.程. 通 常 の垂 直 多 関 節 型 ロ ボ ッ トは 構 造 的 に そ の ハ ン ド と アー ム の 運 動 が 独 立 し て い な い か ら,そ. た が っ て,3次. 関 節 お よ び肘 関 節 を そ れ ぞ. た組 付 部 品 の 姿 勢 を保 持 す る た め に は ア ー ム が ど の よ. れ 時 計 方 向 あ る い は 反 時 計 方 向 に最 適 な 方 向 に 回 転 さ. うな姿 勢 を と って も ハ ン ドの 向 き は 変 化 し な い こ とが. せ て ハ ン ドをA点. 望 ま しい.い. な っ て い る(図4;A,B点. ま ま で ソ フ トウ ェ ア で これ に 対 応 し て い. か らB点. る もの もあ る が コ ン ピ ュ ー タ の 負 担 が 大 き く,作 業 の. の 平 面 内 で な い 場 合 に 第1関. 速 度 に影 響 を与 え る.. す る).こ. ま で 移 動 さ せ る よ うに と ロ ボ ッ トア ー ム が 同 一 節 の直 線 移 動 関 節 で 調 節. の よ うな 挙 動 は ロ ボ ッ トア ー ム 系 の 特 異 点. を 通 る運 動 形 態 で あ り,従 来 の ロ ボッ トで は構 造 上 運. 本研 究 の 給 配 ロ ボ ッ トで は タ イ ミン グ ベ ル トに よ る 平行 リン ク機 構 に よ っ て簡 単 に こ の 問 題 を 解 決 し, ハ. 動 の 実 現 が 不 可 能 で あ るが,本. ン ドの 姿 勢 を 一 定 に 保 持 し て い る.さ. ら に,一 つ の 自. お い て 最 短 時 間 パ ス を と る た め に こ の 運 動 形 態 を採 用. ル トを 介 し て ハ ン ドの 方 向. し た.雪この よ うに 水 平 投 影 面 上 の 回 転 運 動 が ほ とん ど. 由度 と し て(第4関. 節)ベ. な く,動. を制 御 で き る. 4). ア ー ム の重 量 バ ラ ン ス 設 計. ボ ッ トの運 動 性 能 を 改 善 す る た め,第2ア アー ム は そ れ ぞ れ 第2関. 節 と第3関. 動 方程 式 が 得 られ る.モ. 猿 を 連 想 さ せ る こ と か ら,Lazy. 品給 配 ロ ー ム と第 3. か に も怠 惰 な. Monkeyと. 名 付 け. た.. 節 の 軸 心 に 関 して. の 時,線. 動 に. き を 惜 し ん で 最 も時 間 効 率 の 良 い 運 動 パ ス を. と る この ロボ ッ トの 特 徴 的 な 挙 動 が,い. 次 章 に 述 べ る部 品 給 配 方 式 を 実 現 し,部. 重 量 バ ラ ン ス を と る(図3).こ. 研 究 で はPTP運. 4.2. 給 配機能 の効果. 以 上 に述 べ た 運 動 形 態 を 採 用 す る こ と に よ っ て, 次. 形の関節運. の よ う な効 果 を 得 る こ と が で き た.. ー タは釣合重 量 の一部 分 に な 91.
(4) 1662. (a). 精 密 工 学 会 誌 56/ 9/ 1990. The parts handling ing robot. (a). Required robot. space. when using a parts. (b). Required space when using a conventional articulated robot. motion using a parts supply-. Fig.. The parts handling motion using a conventional multi-articulated robot Fig.. 関 節 を π程. 度 回 転 し な け れ ぽ な ら な く,し か も他 の2関 節 と肘 関 節)の. 4. multi-. 5. 普 通 の 垂 直 多 関 節 型 ロ ボ ッ トで は,胴 (b). supplying. 節(肩. 関. 回 転 量 は π よ りは る か に 小 さ い の で,. 作 業 時 間 は ほ と ん ど胴 関 節 の 回 転 時 間 で 決 ま る. (1). 作業 のス ペ ース効率 の 改善. (1). 水 平 多 関 節 型 ロ ボ ッ トや 普 通 の 垂 直 多 関 節 型 ロ ボ ッ トで こ の よ うな 部 品 給 配 作 業 を 行 う とす れ ぽ,主 胴 関 節 を ほ と ん ど180.程 の で,水. 軸の. tN: 作 業 時 間. 度 回転 しな けれ ば な らな い. ω1max: 胴 関 節 駆 動 モ ー タ の最 大 角 速 度. 平 面 内 に お け る 作 業 に必 要 な ス ペ ー ス が 大 き. くな ら ざ る を 得 な い.一. 方,本. ε1max: 胴 関 節 駆 動 モ ー タ の 最 大 角 加 速 度. 研 究 の 給 配 方 式 で作 業. ξ1: 胴 関 節 減 速 機 の 減 速 比. す る と ア ー ム系 は ほ と ん ど垂 直 面 内 に お い て 水 平 回 転 軸 を 中 心 に 回 転 す る の で,必 の ス ペ ー ス)が. 要 な 空 間(特. 極 小 に な る(図5).し. (モ ー タ の 入 力 曲 線 は 台 形 曲 線 と仮 定 す る).. に水平面 内. た が っ て,自. 動 組 立 ラ イ ンの 省 ス ペ ー ス に 有 効 で あ る.ま. た,作. (2). 業. の 安 全 性 に 関 し て も大 き な 効 果 を 与 え る. (2). 部 品給 配 パ スの最 適化 に よる高能 率性. 前 述 の よ う に 部 品 供 給 装 置 の あ る 層(A点)か 組 付 け ス テ ー シ ョ ン(B点)ま の 移 動 パ ス の 中 か ら,以. ら. (3). での 間に存 在す る多 く. 下 に示 す よ うに 最 短 時 間 パ ス. を 選 び 出 す こ と が で き る.. 3.2項4)に 92. 述 べ た 機構 で アー ム系 の運 動 方 程 式 が.
(5) 李 ・神 谷 ・岡 部 ・横 山 ・戸 上:. Fig.. 6. Two configurations station. 線形 に な っ た の で,LM給. of the arms. 部 品 給 配 ロ ボ ッ トの 開発. 1663. (第 1 報). in an assembly. 配 方 式 に お い て,以. 下の よ. うに最 短 時 間 パ ス を と る こ とに よ っ て給 配 速 度 と効 率 を向上 す る こ と が で き る.図6に は作 業 始 点Aに. 示 す よ うに,ア. お け る 姿 勢(φ0,θ0)に 対 し て,B. には二 つ の姿 勢:(φ1,θ1),(φ2,θ2)が ま た,ロ ば,Aか. ーム 点. 存 在 す る.. ボ ッ トの 関 節 は2π 回 転 で き る と 仮 定 す れ. らBま. で のPTP運. 動 に は次 の よ うな8通. り. の移 動 パ ス が 存 在 し て い る こ と が わ か る. 姿 勢1:. (J 2 : ccw, (J 2 : cw,. J 3 : ccw), J 3 : cw),. (J 2 : ccw, (J 2 : cw, 姿 勢2:. J 3 : cw), J 3 : ccw). (J 2 : ccw,. J 3 : ccw),. (J 2 : cw, J 3 : cw), (J 2 : ccw,. J 3 : cw),. (J 2 : cw, J 3 : ccw) た だ し,姿 勢i(i=1,2):終. 点Bに. お け るア ームの. 姿勢 J2,J3: CW,CCW:. 第2,3関. 節. 関 節 の 回 転 方 向(時. 計 方 向,反. 時 計方. 向). Fig.. 7. Flow path. そ れ ぞ れ の移 動 パ ス に 対 応 す る肩 関 節 と肘 関 節 の 回. chart. of. calculating. a. minimum-time. 転 量 は 次 の通 りで あ る.. (5) (4) 肘関 節. た だ し,Δ φi:肩 関 節 の 回 転 量;Δ. (6). θij:肱 関 節 の 回 転. 量. ま た,両 関 節 の 各 移 動 パ ス に対 応 す る 回 転 時 間 は 次 の通 りで あ る. 肩 関節 93. そ れ ぞ れ の 所 用 時 間 を 計 算 し 比 較 し て(図7),. 一. つ の最 短 時 間 移 動 パ ス を 選 び 出 す こ と が で き る.実. 際.
(6) 1664. 精 密 工 学 会 誌 56/ 9/ 1990. 5. (1). 結. 論. フ レ キ シ ブ ル な 自動 組 立 シ ス テ ム に お け る 部. 品 の 供 給 技 術 に つ い て 考 察 し,部 品 給 配 ロボ ッ ト の 必 要 性 を検 討 した. (2). ス ペ ー ス 効 率 に 優 れ,フ. レキ シゼ リテ ィに 富. む 自動 組 立 ラ イ ン を 想 定 し,そ れ に適 した 部 品 給 配 用 ロ ボ ッ ト機 構 を検 討 選 択 した. (3). 効 率 良 く,高 速 に 部 品 を 給 配 で き る 方 式 を 提. 案 し,そ Fig.. 8. The determination of system minimum-time path. dimension. (4). using a. 計 試 作 した. な お,部. の 作 業 シ ス テ ム に 対 し て3次 られ る.第2,3関. 元 的 なLM機. ア ー ム の 姿 勢(多. 域 内 の 各 点 ま で のLM最 の 回 転 方 向 を 示 す(回. 定 で あ る. 参. か ら部 1). 対 す る ロ ボ ッ ト作 動 領. 転 量 を 省 略 す る).そ. 2). の中で. 垂 直 平 面 にお 3). い て も最 も ス ペ ー ス効 率 の 良 い 運 動 形 態 で あ る た め, 組 付 け ス テ ー シ ョ ン に お け る 部 品 給 配 の 目標 位 置 は こ. 4). の 領 域 の 中 で 選 ぶ こ とが 望 ま し い. 現 在 の 組 立 ロ ボ ッ トの 平 均 的 な デ ー タ に 準 処 し て, 図4に. 示 す よ うな 作 業 の シ ミュ レ ー シ ョン 実 験 を 行 っ. た.そ. の 結 果,従. 15%減. 少 し,よ. 5). 来 の 垂 直 多 関 節 型 ロ ボ ッ トと比 べ て. 部 品 給 配 に お い て 作 業 時 間(サ. イ ク ル タ イ ム)を. 御 お よ び試 作 機. に よ る 実 験 結 果 な ど に つ い て は 次 報 以 下 に 報 告 す る予. の. 短 時 間 パ ス に お け る両 関 節. 線 の 領 域)は. 品 給 配 方 式 の 運 動 性 能,制. つ の例 とし. 段 フ ィ ー ダ の 第2段. 品 を 供 給 し よ う とす る位 置)に. (J2:ccw,J3:cw)(斜. 能 も考 え. 節 の 減 速 比 が 同 じ で あ る場 合,こ. 最 短 時 間 パ ス は最 小 移 動 量 パ ス に な る.一 て 図8の. の 効 果 に つ い て論 じ た.. 独 自 の 給 配 方 式 に よ る部 品 給 配 ロ ボ ッ トを 設. 6). 約. り高 速 化 を 達 成 し て い る こ と が わ. 7). か っ た. 8). 94. 横 山 恭 男:最. 考. 文. 献. 近 の 部 品 供 給 装 置 の 動 向,自. 動 化 技 術,. 21, 2 (1989) 18. Y. Yokoyama : Importance of Parts Handling in Automated Assembly, China-Japan Int. Symp. on Mechatronics '88. M. Shirai & A. Saito : Parts Supply in Sony's GeneralPurpose Assembly System "SMART", Jap. J. Advanced Automation Technol., 1, 2, (1989) 108. T. Lee, Y. Kamiya, S. Okabe, Y. Yokoyama & T. Togami : Development of Parts Supplying Robot, Proc. 10th Int. Conf. on Assembly Automation, (1989) 173. 横 山 恭 男:自. 動 組 立 の基 本 技 法 ・パ ー ツハ ン ド リン グ, 工. 業 調 査 会,(1985. 4). 塩 沢 晃:ニ ュ ー ヤ マ ハ ア セ ン ブ リ ラ イ ン の 理 念,精 密 工 学 会 自動 組 立 専 門 委 員 会 研 究 例 会 講 演 論 文 集,(1987. 8). 牧野 洋,村 田 誠,古 屋 信 幸:SCARAロ ボ ッ トの 開 発,精 密 機 械,48,3(1982) 378. 横 山 恭 男,牧 野 洋,熊 谷 卓 編:最 新 部 品 供 給 技 術 総 覧(188),産 業 技 術 サ ー ビス セ ン ター (1986)..
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