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双腕ロボットMOTOMAN-SDA20Dの開発

7軸回り込み動作

図1 7軸回り込み動作

小形動力機構

図2 小形動力機構

SDA20D外観

図3 SDA20D外観

1.概要

 現状の産業用ロボットの導入状況は,自動車産業を中心にアーク溶接,スポット溶接,塗装等のアプリケーションにて有効な自動化ツールとして採用されている.今後は人作業工程の多い組立て,物流用途においても自動化のための有効なツールとして必要性や期待が大きい.

 そのため,これらの用途に最適化した双腕ロボットMOTOMAN-SDA20Dを開発した.本ロボットは,人のような動きを再現させる,人と同等のスペース・人と同等のツールによるロボット化のコンセプトのもとに,ロボットの動作性能を拡張・向上させて,人と同様なフレキシブルな設備の実現を目指した.キーワードは7軸腕構造と双腕構造である.腕構造は柔軟な動作を得るために7つの関節を採用し,この関節部には新規に小形アクチュエータを開発した.また,双腕構造は2本のアームと旋回軸(腰軸)をコンパクトにまとめることによって,現状と同等の作業エリアに設置できる構造とした.

2.技術の内容

 本ロボットの腕構造は7つの関節とオフセットのないシンプルなアーム構成とした.従来のアーム構成を比較すると1軸増えたことで,自在性が向上するため,6軸構成では実現できなかった回り込み動作(図1)や,アーム干渉の細かな回避動作が可能となった.これは,1自由度追加することで,人の肘の動作と同じように制御でき,ツール先端の位置(姿勢)はそのままで,アームのみを動作させることにより実現している.双腕構造による特長は①双腕による把持機能,②双腕によるワークの自在な持ち替え,③人サイズ&人作業と同等のスペース,④人と同等の動作性能の4つである.

 この特長を実現するためには,関節部分の小形化が本ロボット開発の最重要課題であった.従来,ロボットの関節部分にはモータ,減速機,エンコーダ,ブレーキなどから成る動力機構が埋め込まれており大きな容積を占めている.このため従来の動力機構のままで今回の腕構造のロボットを開発しようとすると関節部は大きなものになってしまい関節同士の干渉が増え,人の腕と同じような自在な動きや,必要な動作範囲を実現することができなかった.これを解決するためモータ,減速機,エンコーダ,ブレーキを一体化した中空の小形動力機構(アクチュエータ)を開発した(図2).これをロボットの関節部に埋め込むことにより配線・配管のアーム外周部での引き回しがなくなり,周辺機器との干渉がないため人の上半身と同じような形や動きを実現した.このアクチュエータに関しては,使い勝手からくるマニピュレータ要求仕様を反映させた.具体的には・加速性能の最適化,・形状の最適化を実施した.形状の最適化については,ロボットを人の上半身に近い形状へとスリム化し,人が使用している作業環境の変更を最小限にするため,ロボット関節部にあるアクチュエータの全長短縮による扁平化を実現した.このアクチュエータはシリーズ化し,モジュールとして展開をした.アクチュエータの最適化により,双腕ロボットをスリム化に進化させた,双腕ロボットSDA20Dの外観を図3に示す.

3.まとめ

 今回開発したロボットは,組立てや物流領域で採用されている.組立ての領域は非常に広く,自動車製造を例にとっても,メインの車体の最終組み立て工程からサブ組立て工程がある.エンジンやトランスミッションなど自動車の基幹ユニットの製造や,外部から調達される小モジュール品の製造プロセスまで見れば,かなり多くの人による工程が存在している.

 ロボット自体が人の作業性を再現できるよう進化することにより,共通性のある技術で様々な工程・製造業へ展開できる可能性が見えてきた.物流の領域とは,部品配膳,工程間搬送,部品セット工程のことを想定している.配膳・仕分け作業や工程間の搬送は,単純作業ではあるが取り扱う部品数や種類が多く,かつ,段取り替えなど状況に応じた付帯作業などがあることの理由から,人手作業に頼っているケースが多い.単純作業の領域だけを自動化することは可能であっても,一部に残る付帯作業が人手として残ると自動化するメリットが少なく,専用工程以外は自動化されていない.作業付加価値の観点からは自動化するニーズも大きく,ロボット自体で人作業と同等な汎用性の高い作業性の実現が期待できる.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、2013年、真田孝史((株)安川電機)、岡久学(同左)、福留和浩(同左)、村井真二(同左)に日本機械学会賞(技術)を贈った。

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